WO2022122246A1 - Retention device and method for separating cells - Google Patents

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WO2022122246A1
WO2022122246A1 PCT/EP2021/079852 EP2021079852W WO2022122246A1 WO 2022122246 A1 WO2022122246 A1 WO 2022122246A1 EP 2021079852 W EP2021079852 W EP 2021079852W WO 2022122246 A1 WO2022122246 A1 WO 2022122246A1
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retaining element
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cell suspension
retained
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PCT/EP2021/079852
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Tanja Maucher
Jochen Hoffmann
Astrid LUX
Hannah Bott
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a retaining device and a method for separating cells located in a cell suspension and to a cartridge comprising the retaining device according to the preamble of the independent claims.
  • WO 2012/159820 A1 describes an automated detection of circulating tumor cells from body fluids, which are held back by means of a porous membrane. A process liquid is then applied to the membrane, which marks the cells to be detected so that they can be examined optically after filtering and staining.
  • WO 00/06702 A1 describes a method and a kit for isolating cancer cells from a body fluid using a sieve or membrane filter. The liquid is passed through the sieve, which retains the cancer cells because of their size. The isolated cells can then be examined following filtration.
  • DD 222 827 A5 describes the selection of specific biological cells.
  • a filter with a large number of recesses is used, the recesses penetrating the filter from top to bottom and having a predetermined shape and dimension.
  • the diameter steadily decreases from the top to the bottom, so that the recesses run conically and the specific cells are held in the recesses and are thus selected according to their size on the one hand and separated on the other. Subsequently, the cells remaining in the filter can be analyzed using an optical system.
  • DE 10 2011 076 238 A1 describes a support body for a porous filter membrane.
  • a liquid sample is filtered by means of the filter membrane and circulating tumor cells in particular are retained.
  • the transparent supporting body is formed in a carrier which essentially corresponds to a slide for a microscope.
  • the filter membrane rests on the transparent support body and is connected to it.
  • the filtrate can run off through holes or pores in the support body.
  • the circulating tumor cells are then analyzed using light microscopy or fluorescence microscopy.
  • the separation and identification of different cells from suitable liquids is an important step in the research, diagnosis and treatment of diseases. After isolating the specific cells, clinically relevant characteristics and information can be obtained from the cells.
  • Circulating tumor cells for example, have established themselves as promising and clinically relevant biomarkers for diagnosing malignant tumors in recent years. Their earliest possible detection in suitable liquids such as blood or lymphatic fluid, also known as liquid biopsy, is one of the research priorities of modern oncology. For example, a time-resolved quantification of CTCs of a cancer patient allows the course of the disease to be tracked precisely and in real time and therapy decisions to be made that are tailored to the individual disease situation.
  • a retention device and a method for separating cells in a cell suspension, as well as a cartridge containing the retention device are provided with the characterizing features of the independent claims.
  • the retaining device for separating cells in a cell suspension comprises a feed unit and a retaining element, in particular a microfilter and/or a microsieve with pores, and an optical detection unit for optical real-time detection of cells retained by the retaining element and/or cells whose passage through the retaining element is delayed.
  • the retention rate of cells to be separated from a cell suspension is determined by parameters such as the pore size and pore shape of the retention element, the porosity, rigidity and thickness of the retention element, as well as the volume flow and filtration pressure, as well as any pressure differences to which the retention element and the cell suspension are exposed, the cell diameter of the cells to be separated, as well as surface interactions between the cells of the cell suspension and the retaining element.
  • the passage through a retaining element is a time-dependent process because, in addition to the parameters mentioned, which also influence the passage time, smaller and deformable cells also pass through the pores of the retaining element much more quickly than larger and stiffer cells. For example, cells in a certain size range, which are initially retained by the retaining element, can pass this after a certain time, for example because of their deformability.
  • deformable it is meant that the cell is elastic and can deform to some extent.
  • deformation is also used for this property in the present description of the invention.
  • the advantage of the restraining device according to the invention is that the cells to be detected are detected in real time during the restraining process, and thus cells whose passage through the restraining element is delayed are also detected. In this way, a larger number of cells to be detected can be recorded, which leads to a more precise result.
  • the retention rate of the cells to be detected i.e. the target cells
  • the advantage of the restraining device according to the invention is that, for example, the number of cells to be detected is recorded quantitatively in real time during the restraining process. With real-time detection, the initial concentration of the target cells is determined directly with negligible losses. No further optical devices or process steps are necessary to be able to determine the retention rate, which saves time, tools and work steps.
  • the restraint device has a feed unit with two or more feed channels.
  • a homogeneous distribution of the cell suspension on the retaining element is achieved, so that the retained cells are not concentrated on part of the surface of the retaining element, but rather are distributed over the surface of the retaining element.
  • the pressure difference before and after the retaining element is kept as small as possible, so that many cells to be detected are retained on the retaining element for as long as possible. This improves the optical detection of the cells to be detected in real time while the cell suspension flows through the retaining element.
  • the two or more feed channels of the feed unit connect to form one large feed channel via the retaining element.
  • the retaining element is made at least partially from an optically transparent material, in particular from a polycarbonate and/or a cycloolefin copolymer (COC) and/or from a glass.
  • an optically transparent material in particular from a polycarbonate and/or a cycloolefin copolymer (COC) and/or from a glass.
  • the advantage of using a polycarbonate is that it has high impact strength and is light in weight.
  • the advantage of using a glass is that it is largely scratch-resistant and therefore very durable.
  • the advantage of using a COC is that it can be produced inexpensively, is break-resistant and has a low density and low weight.
  • the pores of the retaining element have a diameter of 3 ⁇ m-20 ⁇ m, preferably 4 ⁇ m-8 ⁇ m.
  • Such pore diameters are advantageous, for example, when separating CTCs from a cell suspension.
  • Most CTCs have a slightly larger diameter and are less deformable than, for example, leukocytes, so that the CTCs are selectively prevented from passing through the retaining element.
  • the retaining element has an area of 1 mm 2 -500 mm 2 , preferably 3 mm 2 -100 mm 2 , which can be exposed to a cell suspension. It is advantageous here that the cells of a sample volume of a cell suspension of, for example, 20-300 ⁇ l are distributed statistically on the retaining element with such an area that the distance between the cells allows good optical detection.
  • the retaining element has a thickness of 0.9 ⁇ m-20 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m-12 ⁇ m.
  • the advantage of such a thickness is that deformable cells take a long enough time, for example one or more minutes, to be able to pass through the retaining element. The delayed passage of the cells through the retaining element ensures that the cells are detected optically.
  • the subject matter of the invention is also a method for separating cells, in particular living cells, located in a cell suspension by means of a retaining device according to the invention with the following steps: b) supplying the cell suspension to the device with retaining element c) optical detection of the cells retained by the retaining element and/or or of the cells whose passage through the retaining element is delayed, the detection taking place in real time during the passage of the cell suspension through the retaining element.
  • the viability of the cells to be detected is not impaired, so that on the one hand the cells exhibit their typical behavior and phenotypic characteristics upon detection and on the other hand further analyzes can be carried out with the cells following the detection.
  • step b) is preceded by an additional step a): a) labeling of the cells to be detected in the cell suspension, with the viability of the cells to be detected in particular being retained.
  • step c) the marked cells retained by the retaining element and/or the marked cells whose passage through the retaining element is delayed is then optically detected, the detection taking place in real time while the cell suspension is flowing through the retaining element.
  • filtration often takes place first, followed by staining steps, for example on the retention element itself, and subsequent detection of the cells to be detected.
  • the cells to be detected are often treated with a fixing solution, such as formaldehyde, which makes it possible to stain structures inside the cells. However, this inactivates and preserves the cells.
  • the advantage of the staining strategy on which this invention is based, with a marking preceding the separation process, is that the cells to be detected can already be detected while they are flowing through the retaining element.
  • the retained cells are lysed, for example with a total cell lysis buffer, for example transferred to an external sample vessel and the deoxyribonucleic acids (deoxyribonucleic acid, DNA) and ribonucleic acids (ribonucleic acid, RNA) of the cells are extracted. Further analyzes can also be carried out with the cells which pass through the retention element, ie which are present in the filtrate.
  • the cells to be detected are labeled by staining with carboxyfluorescein succinimidyl ester (CFSE) and/or with propidium iodide (PI) and/or by labeling of surface antigens, in particular by fluorescent antibodies and/or by means of a label that binds deoxyribonucleic acid .
  • CFSE carboxyfluorescein succinimidyl ester
  • PI propidium iodide
  • CFSE is a fluorescent cell-staining dye that is cell-permeable and covalently couples to certain intracellular molecules via its succinimidyl group.
  • CFSE is only enzymatically converted to the fluorescent dye in living cells, so that only living cells are deleting cells are determined.
  • Another advantage is that the cells to be detected do not have to be fixed for staining.
  • the cells can be labeled with PI, which is a fluorescent dye that intercalates specifically in nucleic acids. Since PI can only penetrate the perforated cell membrane of dead cells, but not the intact cell membrane of living cells, dead cells to be detected can be detected in this way. A combined staining with CFSE and PI allows a combined visual differentiation between living and dead cells to be detected. This is of great importance, for example, when it comes to researching, diagnosing or treating diseases. In cancer patients, for example, only living tumor cells pose a risk of metastasis. The number of living cells is therefore decisive here.
  • the cells to be detected do not have to be fixed for labeling with PI.
  • various surface antigens of the cells to be detected can be detected.
  • Antigens are mostly proteins, but can also be carbohydrates, lipids or other substances to which specific antibodies can bind, for example.
  • Examples of such antigens are the epithelial cell adhesion molecule (EpCAM) and cytokeratins.
  • EpCAM is a surface protein and cell adhesion molecule found on various epithelial cells, which is responsible for cell-cell contacts, for example.
  • EpCAM is considered to be one of the typical markers for CTCs.
  • Cytokeratins are proteins found inside cells of epithelial origin. Different epithelial cells express different cytokeratins on their cell surface. Cytokeratins are typical markers in diagnostic pathology, especially for the detection of tumors. For example, different tumors can be distinguished from other tumors based on the same pattern of cytokeratins. Certain cytokeratins are thus markers for CTCs, for example.
  • Allophycocyanin is a pigment involved in the photosynthesis of cyanobacteria and red algae, as well as a bright fluorescent dye. Allophycocyanin can be coupled to an antibody so that specific antigens of target cells can be detected by fluorescence microscopy after binding.
  • a fluorescently labeled antibody that binds to EpCAM is, for example, anti-EpCAM allophycocyanin.
  • a cytokeratin-binding fluorescently labeled antibody is, for example, anti-cytokeratin allophycocyanin.
  • cells with a nucleus can be distinguished from cells without a nucleus by means of certain markings or staining of the DNA within the cell nuclei.
  • Nucleated cells can be detected, for example, using the fluorescent dye 4',6-diamidine-2-phenylindole (DAPI), which labels the DNA.
  • DAPI penetrates intact cell membranes, but only slowly. The advantage here is that the viability of the cells to be detected is retained and it is not necessary to fix the cells to be detected for labeling.
  • the fluorescent dye 2'-(4-ethoxyphenyl)-5-(4-methyl-l-piperazinyl)-2,5'-bi-lH-benzimidazole trihydrochloride can be used to stain DNA.
  • Hoechst 33342 has proven itself in experiments with living cells and offers the advantages that the viability of the cells to be detected is retained and they are also stained very quickly. It is also advantageous that the cells to be detected do not have to be fixed for marking.
  • step c) number of cells to be detected and/or diameter of the cells to be detected and/or cell contour of the cells to be detected and/or transit time of the cells to be detected through the Retaining element and/or determining the deformation of the cells to be detected when passing through the retaining element and/or the homogeneity of the labeling agent embedded or bound in the cells to be detected.
  • the cells to be detected are detected by recording individual images at defined time intervals, in particular after 0.1-60 seconds, preferably after 1-10 seconds.
  • the frame rate is an individually adjustable parameter.
  • the cell suspension is a blood sample, for example.
  • clinically relevant information can be obtained from the cells that are in the blood, which allow an up-to-date picture of the health or illness of the blood donor.
  • the blood sample is pretreated, for example by selective lysis of the erythrocytes.
  • the cells to be detected are, for example, circulating tumor cells.
  • CTCs are cells of epithelial origin that have detached from a primary tumor cell cluster and entered the lymphatic vessels or the bloodstream and circulate there. Some CTCs are able to migrate to distant organs and form metastases there.
  • CTCs have a cell nucleus and often carry the proteins EpCAM and cytokeratins on their cell surface. CTCs are often larger and less deformable than other blood cells. Thus, CTCs can be separated from other, smaller blood cells by means of a retaining element with a suitable pore diameter. However, the size of the CTCs is highly dependent on their site of origin and the type of tumor. Rarely, there are also CTCs that are smaller than blood cells. With conventional filtration approaches, the number of cells retained by the retention element is determined after the filtration process. CTCs that are initially held back by the restraining element but then pass through after a short time are not recorded here.
  • the advantage of the method according to the invention is that the CTCs are detected in real time during the restraining process, and thus those CTCs whose passage through the restraining element is delayed are also detected. In this way, a larger number of CTCs can be recorded. This leads to a more precise result, which in turn provides valuable information for the classification and treatment of a tumor.
  • a pump pumps the cell suspension through the retention device at a constant flow rate, the flow rate being in particular between 0.01 pl/s and 100 pl/s, preferably between 0.2 pl/s and 5 pl/s.
  • the advantage here is that the acting shear forces do not change the cells of the cell suspension, for example in the microfluidic environment, in this flow rate range to such an extent that they can no longer be retained by the retaining element or optically detected.
  • the advantage here is that, taking into account the shear forces acting at such flow rates, it is ensured that the cells of the cell suspension to be detected, for example in a microfluidic environment, are retained by the retaining element and can be detected optically and are not changed in such a way that they cannot more can be retained or optically detected by the retaining element. Furthermore, the total time in which the cell suspension is pumped through the retention device is reduced as much as possible, while the cells to be detected continue to be captured by the optical system.
  • Different constant flow rates can also be set for several passes to separate cells using the retention device according to the invention, so that different dynamics and behavior of the cells to be detected can be observed when passing through the retention element, such as differences in the dwell time on the retention element before passage or Differences in the deformability of the cells to be detected.
  • a pump pumps the cell suspension through the retention device at a varying flow rate, the flow rate being in particular between 0.01 pl/s and 100 pl/s, preferably between 0.2 pl/s and 5 pl/s.
  • a varying flow rate means that the pressure difference before and after the retaining element also varies.
  • the advantage here is that the cells that are already retained by the retaining element are not continuously pressurized and can therefore remain longer on the retaining element, so that they can be detected longer and, if necessary, can be detached from the retaining element again by increasing the flow rate becomes.
  • the pump is, for example, a peristaltic pump.
  • a conveying element other than a pump may be used to practice the present invention.
  • the cell suspension is fed to the retaining element in portions as aliquots and the cells retained by the retaining element are removed from the retaining element after each aliquot or after a predetermined number of aliquots.
  • the advantage of feeding in portions as aliquots is that the pressure difference that occurs as soon as a large part of the surface of the retaining element is covered with cells is kept as small as possible. In this way, as many cells as possible to be detected are retained on the retaining element for as long as possible, as a result of which more cells to be detected can be detected.
  • Another advantage is that the cells to be detected can be separated and recorded from a significantly larger volume of cell suspension. In addition, the cells to be detected can be identified and recorded against a higher background of cells not to be detected.
  • the cells retained by the retaining element are removed from the retaining element after each aliquot or after a predetermined number of aliquots, since in this way more precise results are obtained for analyzes of the next aliquot or aliquots.
  • the cells retained by the retention element can be removed, for example, by increasing the pressure difference across the retention element or by lysing the cells retained by the retention element.
  • the subject matter of the invention is also a cartridge, in particular a microfluidic cartridge, as described for example in DE102016222072A1 or DE102016222075A1, comprising the retaining device described above.
  • the method steps described for the separation of cells located in a cell suspension then all take place, for example, inside the cartridge.
  • a pretreatment of the cell suspension can also take place within the cartridge, as well as process steps for labeling the cells to be detected.
  • the retained by the retaining element cells after detection within the Cartridge are lysed and the cell lysate are then transported, for example, in an additional sample chamber on the cartridge.
  • the DNA and/or RNA of the lysed cells can be extracted for further analysis without the need for an additional external system.
  • FIG. 1a the schematic representation of a cross section through a restraint device according to the invention in a first embodiment with restraint element and a feed unit with a feed channel,
  • Fig. Lb the schematic representation of a top view of the invention
  • FIG. 3a the schematic representation of a top view of a retaining element according to FIG.
  • FIG. 4 shows the schematic representation of a cross section through a cartridge according to the invention comprising a retaining device according to FIG.
  • FIG. 1a shows a cross section of a first embodiment of a retaining device 4 according to the invention for separating cells located in a cell suspension.
  • the retention device 4 comprises a feed unit 1, for example an inlet channel, and a retention element 2 with pores, for example a microfilter and/or a microsieve, and an outlet unit 3, for example an outlet channel.
  • the retaining element 2 is at least partially made of an optically transparent material, such as a polycarbonate and/or a cycloolefin copolymer and/or a glass.
  • the pores of the retaining element 2 have, for example, a diameter of 3 ⁇ m to 20 ⁇ m and preferably 4 ⁇ m to 8 ⁇ m.
  • the retaining element 2 has, for example, an area of 1 mm 2 -500 mm 2 , and preferably 3 mm 2 -100 mm 2 , which can be exposed to a cell suspension.
  • the retaining element 2 has, for example, a thickness of 0.9 ⁇ m-20 ⁇ m, and preferably 1 ⁇ m-12 ⁇ m.
  • the restraining device 4 comprises an optical detection unit 5 which is arranged in such a way that it optically detects the surface of the restraining element 2 .
  • the optical detection unit 5 is, for example, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) or CCD (Charge-Coupled Device)-based camera with a resolution of, for example, 1-4 MP depending on the area of the retaining element and with 1-10 fps depending on the flow rate.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • CCD Charge-Coupled Device
  • the cells present in the cell suspension are marked, for example, in particular by means of fluorescent dyes, before they are fed to the retention device 4 .
  • the cell suspension, in which the cells to be detected, which are marked for example, are present is fed to the retention device 4 via the feed unit 1 .
  • the cell suspension is pumped through the retention device 4 at a constant flow rate or at a varying flow rate by means of a pump not shown in the figures.
  • the flow rate is in each case, for example, between 0.01 pl/s and 100 pl/s, and preferably between 0.2 pl/s and 5 pl/s.
  • the cell suspension is fed to the retaining element 2, for example, all at once.
  • the cell suspension is fed to the retaining element 2 in portions as aliquots and the cells retained by the retaining element 2 are after each aliquot or removed after a predetermined number of aliquots from the retaining element 2, e.g. by increasing the pressure difference across the retaining element or by lysing the retained cells.
  • the cell suspension flows through the retaining element 2, which retains cells that are, for example, too large and too rigid to pass through the pores of the retaining element 2 and which cells that are, for example, small enough or deformable enough to pass through the pores of the retaining element 2, can pass through.
  • the cells retained by the retention element 2 are optically detected in real time by the optical detection unit 5.
  • the real-time detection of the cells to be detected takes place, for example, by recording individual images at defined time intervals, in particular after 0.1-60 seconds, and preferably after 1-10 seconds, while the cell suspension is flowing through the retaining element 2 .
  • the real-time detection takes place, for example, by recording individual images at defined time intervals in each color channel required for the detection of the respective fluorescence marking. Depending on the marking, the detection thus takes place simultaneously in different color channels.
  • the recorded individual images are evaluated, for example, by evaluation software using an algorithmic method.
  • the results of this analysis can be output in real time or alternatively after the cell suspension has passed through the retaining device 4 .
  • the number of target cells can be determined at each recorded point in time.
  • marked cells it can be concluded from the specific marking what kind of cell it is. Depending on the marking, this provides information about the number of living and dead cells, cells with and without a nucleus, and cells whose specific surface antigens are marked, so that it is possible to differentiate between target cells and non-target cells. In addition, information is obtained, for example, about how many detected target cells are present in the entire cell suspension and were retained or temporarily retained by the retaining element 2 .
  • other parameters can also be determined, such as the diameter, for example the detected cells and/or cell contour of the detected cells and/or transit time of the detected cells through the retaining element 2 and/or determination of the deformation of the detected cells when passing through the retaining element 2 and/or homogeneity of the agent embedded or bound in the detected cells Mark.
  • the blood sample is mixed with 4-8 times the amount, preferably 5 times the amount, of a selective erythrocyte lysis buffer and incubated.
  • the erythrocytes contained in the blood are lysed and the blood pigment hemoglobin is released into the solution.
  • the resulting suspension contains the intact cells, including the leukocytes and CTCs and the lysed erythrocytes, as well as free hemeglobin.
  • the lysed erythrocytes and free hemoglobin are later separated by the retaining element 2 from the retained leukocytes and CTCs.
  • the cells contained in the cell suspension are marked, for example, without their viability being impaired and without them having to be fixed.
  • the fluorescent dye CFSE which can only be detected in living cells, and/or the fluorescent dye PI is added to the cell suspension.
  • deoxyribonucleic acid-binding markers such as the fluorescent dyes DAPI and/or Hoechst3342, which mark cells containing a cell nucleus
  • deoxyribonucleic acid-binding markers such as the fluorescent dyes DAPI and/or Hoechst3342, which mark cells containing a cell nucleus
  • surface antigens such as EpCAM and/or cytokeratins, such as those found on CTCs, are labeled, for example by adding the fluorescence-labeled antibodies anti-EpCAM-allophycocyanin and/or the fluorescence-labeled antibodies anti-cytokeratin allophycocyanin.
  • the suspension containing, for example, the fluorescence-marked cells is then fed to the retention device 4 via the feed unit 1 .
  • the cell suspension flows through the retaining element 2, which retains cells that are too large and stiff to pass through the pores of the retaining element 2 and which allows cells that are small enough or deformable enough to pass through the pores of the retaining element 2 to pass through .
  • the marked cells retained by the retaining element 2 and/or marked cells whose passage through the retaining element 2 is delayed are optically detected in real time by the optical detection unit 5 .
  • the real-time detection takes place, for example, by recording individual images at defined time intervals in each color channel required for the detection of the respective fluorescent marking.
  • Further parameters of the CTCs can also be determined, such as the localization of the detected CTCs on the restraint element 2 and/or the diameter of the detected CTCs and/or the cell contour of the detected CTCs and/or the transit time of the detected CTCs through the restraint element 2 and /or determination of the deformation of the detected CTCs when passing through the retaining element 2 and/or the homogeneity of the means for marking embedded or bound in the detected CTCs. All of the variants described above for FIG. 1 are compatible with the exemplary embodiment described for separating CTCs from a blood sample.
  • FIG. 1b the restraining device 4 according to FIG. 1a is shown in a plan view.
  • the feed unit 1, the retaining element 2 with pores, and the discharge unit 3 can be seen.
  • the optical detection unit 5 is not shown.
  • FIG. 2 shows a top view of a restraining device 4 according to the invention in a second embodiment.
  • the restraining device 4 has a feed unit 1 with a first feed channel la and with a second feed channel lb.
  • a more homogeneous distribution of the cell suspension on the retention element 2 is achieved in comparison to a retention device 4 with only one feed channel.
  • the feed channels la, lb connect to form a large feed channel via the retaining element. Alternate and not in the figure shown, the supply channels la, lb do not connect via the retaining element.
  • the retention device 4 has a drainage unit 3 with a first drainage channel 3a and a second drainage channel 3b, through which the cell suspension drains after it has passed the retention element 2 .
  • the drain unit 3 includes only one drain channel. This has, for example, a larger diameter than the feed channels 1a and 1b of the feed unit 1.
  • the retaining device 4 comprises a plurality of feed ducts and one or more outlet ducts.
  • FIGS. 1a and 1b All the variants described above for FIGS. 1a and 1b are compatible with the second embodiment of the restraining device 4 described.
  • FIGS. 3a-3c a retaining element 2 according to one of FIGS. 1 or 2 is shown in a plan view.
  • a cell suspension flows through the retaining element 2 .
  • FIG. 3a the retaining element 2 is shown after a first period of time
  • FIG. 3b the retaining element 2 is shown after a second period of time
  • FIG. 3c the retaining element 2 is shown after a third period of time.
  • a first cell 6a and a second cell 6b are retained by the retaining element 2, since the cells have, for example, a larger diameter than the pores of the retaining element 2.
  • the first Cell 6a and the second cell 6b and a third cell 6c are retained by the retaining element 2.
  • the third cell 6c also has, for example, a larger diameter than the pores of the retaining element 2.
  • the first cell 6a and the third cell 6c are still retained by the retaining element 2 after a third period of time.
  • the second cell 6b is no longer located on the restraining element 2. It has passed the restraining element 2 with a delay, for example due to a cell deformation.
  • the periods of time shown correspond, for example, to the times at which individual images are recorded during real-time detection while the cell suspension is flowing through the retaining element 2 .
  • both of the retaining element 2 are permanently retained Cells, here the cells 6a and 6c are detected, as well as cells which pass the retaining element 2 with a time delay, here the cell 6b.
  • the cells 6a, 6b and 6c have different diameters and cell contours. Among other things, these parameters can also be detected, for example, by the optical detection unit 5 in real-time detection.
  • FIG. 4 shows a cross section through a cartridge 10 according to the invention, in particular a microfluidic cartridge, which has a retaining device 4 according to FIG.
  • the retention device 4 is designed as a microfluidic system and includes a feed unit 1, for example an inflow channel, a retention element 2 with pores, for example a microfilter and/or a microsieve, and an outflow unit 3, for example an outflow channel.
  • the cartridge 10 comprises a retaining device 4 in the second embodiment as shown in FIG. The steps for separating cells in a cell suspension described in FIGS , as well as process steps for marking the cells to be detected in the cell suspension.
  • the cells retained by the retaining element 2 can be lysed in real time after detection within the cartridge 10 and the cell lysate can then be transported, for example, into an additional sample chamber on the cartridge 10 .
  • the DNA and/or RNA of the lysed cells are extracted, for example for further analysis, without the need for an additional external system.

Abstract

Described is a retention device (4) for separating cells that are in a cell suspension, said retention device (4) comprising at least one feeding unit (1) and a retention element (2), in particular a microfilter and/or a microstrainer with pores, the retention device (4) further comprising an optical detection unit (5) for the real-time optical detection of cells retained by the retention element (2) and/or cells where penetration of the retention element (2) is delayed.

Description

Beschreibung description
Titel title
Rückhaltevorrichtung und Verfahren zur Separierung von Zellen Retention device and method for separating cells
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rückhaltevorrichtung und ein Verfahren zur Separierung von sich in einer Zellsuspension befindlichen Zellen sowie auf eine die Rückhaltevorrichtung umfassende Kartusche nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. The present invention relates to a retaining device and a method for separating cells located in a cell suspension and to a cartridge comprising the retaining device according to the preamble of the independent claims.
Stand der Technik State of the art
Die WO 2012/159820 Al beschreibt einen automatisierten Nachweis zirkulierender Tumorzellen aus Körperflüssigkeiten, welche mittels einer porösen Membran zurückzuhalten werden. Anschließend wird eine Prozessflüssigkeit auf die Membran aufgebracht, welche die nachzuweisenden Zellen markiert, sodass sie nach dem Filtrieren und Färben optisch untersucht werden können. WO 2012/159820 A1 describes an automated detection of circulating tumor cells from body fluids, which are held back by means of a porous membrane. A process liquid is then applied to the membrane, which marks the cells to be detected so that they can be examined optically after filtering and staining.
Die WO 00/06702 Al beschreibt ein Verfahren und ein Set zur Isolierung von Krebszellen aus einer Körperflüssigkeit mittels eines Siebs oder Membranfilters. Die Flüssigkeit wird durch das Sieb geführt, das die Krebszellen aufgrund ihrer Größe zurückhält. Die isolierten Zellen können dann im Anschluss an die Filtrierung untersucht werden. WO 00/06702 A1 describes a method and a kit for isolating cancer cells from a body fluid using a sieve or membrane filter. The liquid is passed through the sieve, which retains the cancer cells because of their size. The isolated cells can then be examined following filtration.
Die DD 222 827 A5 beschreibt die Selektierung spezifischer biologischer Zellen. Hierfür wird ein Filter mit einer Vielzahl an Aussparungen verwendet, wobei die Aussparungen den Filter von der Oberseite bis zur Bodenseite durchdringen und eine vorgegebene Form und Dimension aufweisen. Beispielsweise nimmt der Durchmesser von der Oberseite zur Unterseite stetig ab sodass die Aussparungen konisch verlaufen und die spezifischen Zellen in den Aussparungen gehalten werden und so zum einen nach ihrer Größe selektiert und zum anderen separiert sind. Anschließend können die in dem Filter zurückgebliebenen Zellen mittels eines optischen Systems analysiert werden. DD 222 827 A5 describes the selection of specific biological cells. For this purpose, a filter with a large number of recesses is used, the recesses penetrating the filter from top to bottom and having a predetermined shape and dimension. For example, the diameter steadily decreases from the top to the bottom, so that the recesses run conically and the specific cells are held in the recesses and are thus selected according to their size on the one hand and separated on the other. Subsequently, the cells remaining in the filter can be analyzed using an optical system.
In der DE 10 2011 076 238 Al wird ein Stützkörper für eine poröse Filtermembran beschrieben. Mittels der Filtermembran wird eine flüssige Probe filtriert und dabei insbesondere zirkulierende Tumorzellen zurückgehalten. Der transparente Stützkörper ist in einem Träger ausgebildet, der im Wesentlichen einem Objektträger für ein Mikroskop entspricht. Die Filtermembran liegt auf dem transparenten Stützkörper auf und ist mit diesem verbunden. Dabei kann das Filtrat durch Löcher oder Poren im Stützkörper ablaufen. Anschließend werden die zirkulierenden Tumorzellen lichtmikroskopisch oder fluoreszenzmikroskopisch analysiert. DE 10 2011 076 238 A1 describes a support body for a porous filter membrane. A liquid sample is filtered by means of the filter membrane and circulating tumor cells in particular are retained. The transparent supporting body is formed in a carrier which essentially corresponds to a slide for a microscope. The filter membrane rests on the transparent support body and is connected to it. The filtrate can run off through holes or pores in the support body. The circulating tumor cells are then analyzed using light microscopy or fluorescence microscopy.
Die Separierung und Identifizierung verschiedener Zellen aus geeigneten Flüssigkeiten, ist ein wichtiger Schritt für die Erforschung, Diagnose und Behandlung von Krankheiten. Nach der Isolation der spezifischen Zellen, können klinisch relevante Merkmale und Informationen aus den Zellen gewonnen werden. The separation and identification of different cells from suitable liquids is an important step in the research, diagnosis and treatment of diseases. After isolating the specific cells, clinically relevant characteristics and information can be obtained from the cells.
Zirkulierende Tumorzellen (engl. Circulating Tumor Celis, CTCs) beispielsweise haben sich in den vergangenen Jahren als vielversprechende und klinisch relevante Biomarker zur Diagnose von bösartigen Tumoren etabliert. Deren möglichst frühzeitige Detektion in geeigneten Flüssigkeiten wie Blut oder Lymphflüssigkeit, auch Flüssigbiopsie (engl. Liquid Biopsy) genannt, ist einer der Forschungsschwerpunkte der modernen Onkologie. So erlaubt zum Beispiel eine zeitlich aufgelöste Quantifizierung von CTCs eines Krebspatienten, dessen Krankheitsverlauf präzise und in Echtzeit zu verfolgen und an die individuelle Krankheitssituation angepasste Therapieentscheidungen treffen zu können.Circulating tumor cells (CTCs), for example, have established themselves as promising and clinically relevant biomarkers for diagnosing malignant tumors in recent years. Their earliest possible detection in suitable liquids such as blood or lymphatic fluid, also known as liquid biopsy, is one of the research priorities of modern oncology. For example, a time-resolved quantification of CTCs of a cancer patient allows the course of the disease to be tracked precisely and in real time and therapy decisions to be made that are tailored to the individual disease situation.
Hierfür ist es von großer Wichtigkeit, möglichst viele der nachzuweisenden Zellen detektieren zu können. Offenbarung der Erfindung For this it is of great importance to be able to detect as many of the cells to be detected as possible. Disclosure of Invention
Erfindungsgemäß werden eine Rückhaltevorrichtung und ein Verfahren zur Separierung von sich in einer Zellsuspension befindlichen Zellen, sowie eine die Rückhaltevorrichtung enthaltende Kartusche mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. According to the invention, a retention device and a method for separating cells in a cell suspension, as well as a cartridge containing the retention device, are provided with the characterizing features of the independent claims.
Dies beruht insbesondere darauf, dass die Rückhaltevorrichtung zur Separierung von sich in einer Zellsuspension befindlichen Zellen eine Zuführeinheit und ein Rückhalteelement umfasst, insbesondere einen Mikrofilter und/oder ein Mikrosieb mit Poren, sowie eine optische Detektionseinheit zur optischen Detektion in Echtzeit von durch das Rückhalteelement rückgehaltenen Zellen und/oder von Zellen, deren Durchtritt durch das Rückhalteelement verzögert ist. This is based in particular on the fact that the retaining device for separating cells in a cell suspension comprises a feed unit and a retaining element, in particular a microfilter and/or a microsieve with pores, and an optical detection unit for optical real-time detection of cells retained by the retaining element and/or cells whose passage through the retaining element is delayed.
Die Rückhalterate von zu separierenden Zellen aus einer Zellsuspension wird von Parametern wie der Porengröße und Porenform des Rückhalteelements, der Porosität, Steifigkeit und Dicke des Rückhalteelements, sowie dem Volumenstrom und Filtrationsdruck, sowie etwaigen Druckdifferenzen dem das Rückhalteelement und die Zellsuspension ausgesetzt sind, dem Zelldurchmesser der zu separierenden Zellen, sowie Oberflächenwechselwirkungen zwischen den Zellen der Zellsuspension und dem Rückhalteelement beeinflusst. The retention rate of cells to be separated from a cell suspension is determined by parameters such as the pore size and pore shape of the retention element, the porosity, rigidity and thickness of the retention element, as well as the volume flow and filtration pressure, as well as any pressure differences to which the retention element and the cell suspension are exposed, the cell diameter of the cells to be separated, as well as surface interactions between the cells of the cell suspension and the retaining element.
Für Zellen in einem gewissen Größenbereich ist der Durchtritt durch ein Rückhalteelement ein zeitabhängiger Prozess, da neben den genannten Parametern, welche ebenfalls die Durchtrittsdauer beeinflussen, hinzukommt, dass kleinere und deformierbare Zellen die Poren des Rückhalteelements deutlich schneller passieren als größere und steifere Zellen. So können beispielsweise Zellen in einem gewissen Größenbereich, welche zunächst durch das Rückhalteelement zurückgehalten werden, dieses nach einer gewissen Zeit, beispielweise aufgrund ihrer Deformierbarkeit, passieren. For cells in a certain size range, the passage through a retaining element is a time-dependent process because, in addition to the parameters mentioned, which also influence the passage time, smaller and deformable cells also pass through the pores of the retaining element much more quickly than larger and stiffer cells. For example, cells in a certain size range, which are initially retained by the retaining element, can pass this after a certain time, for example because of their deformability.
Mit dem Begriff deformierbar ist gemeint, dass die Zelle elastisch ist und sich zu einem gewissen Grad verformen kann. Für diese Eigenschaft wird in der vorliegenden Beschreibung der Erfindung auch der Begriff Deformation verwendet. Bei konventionellen Filtrationsansätzen, wird die Anzahl der vom Rückhalteelement zurückgehaltenen Zellen erst im Anschluss an den Filtrationsvorgang bestimmt. Nicht erfasst werden hierbei Zellen, welche vom Rückhalteelement zunächst zurückgehalten werden, dieses aber nach kurzer Zeit, beispielsweise durch Zelldeformationen, doch passieren. By the term deformable it is meant that the cell is elastic and can deform to some extent. The term deformation is also used for this property in the present description of the invention. With conventional filtration approaches, the number of cells retained by the retention element is only determined after the filtration process. Cells that are initially held back by the retaining element but then pass through after a short time, for example as a result of cell deformation, are not recorded here.
Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Rückhaltevorrichtung ist, dass die zu detektieren Zellen in Echtzeit während des Rückhaltevorgangs detektiert werden, und somit auch Zellen erfasst werden, deren Durchtritt durch das Rückhalteelement verzögert ist. Auf diese Weise kann eine größere Anzahl an zu detektieren Zellen erfasst werden, was zu einem präziseren Ergebnis führt. The advantage of the restraining device according to the invention is that the cells to be detected are detected in real time during the restraining process, and thus cells whose passage through the restraining element is delayed are also detected. In this way, a larger number of cells to be detected can be recorded, which leads to a more precise result.
Um die Rückhalterate der zu detektierenden Zellen, also der Zielzellen, bestimmen zu können, ist es bei herkömmlichen Rückhalteverfahren notwendig, entweder eine Ermittlung der Ausgangskonzentration der zu detektierenden Zellen in der Zellsuspension oder eine Bestimmung der Anzahl der zu detektierenden Zellen, welche vom Rückhalteelement nicht zurückgehalten wurden aus dem Filtrat zu ermitteln. Hierzu sind weitere mikrofluidische und optische Vorrichtungen und Verfahrensschritte notwendig. Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Rückhaltevorrichtung ist, dass beispielsweise die Anzahl der zu detektierenden Zellen in Echtzeit während des Rückhaltevorgangs quantitativ erfasst wird. Bei der Detektion in Echtzeit wird also direkt die Ausgangskonzentration der Zielzellen mit vernachlässigbar geringen Verlusten bestimmt. Es sind keine weiteren optischen Vorrichtungen oder Verfahrensschritte notwendig um die Rückhalterate bestimmen zu können, wodurch Zeit, Arbeitsgeräte und Arbeitsschritte eingespart werden. In order to be able to determine the retention rate of the cells to be detected, i.e. the target cells, with conventional retention methods it is necessary either to determine the initial concentration of the cells to be detected in the cell suspension or to determine the number of cells to be detected which are not retained by the retention element were determined from the filtrate. This requires further microfluidic and optical devices and process steps. The advantage of the restraining device according to the invention is that, for example, the number of cells to be detected is recorded quantitatively in real time during the restraining process. With real-time detection, the initial concentration of the target cells is determined directly with negligible losses. No further optical devices or process steps are necessary to be able to determine the retention rate, which saves time, tools and work steps.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Rückhaltevorrichtung eine Zuführeinheit mit zwei oder mehreren Zuführkanälen aufweist. Beim Durchströmen des Rückhalteelements mit der Zellsuspension wird so eine homogene Verteilung der Zellsuspension auf dem Rückhalteelement erzielt, sodass sich die rückgehaltenen Zellen nicht auf einem Teil der Fläche des Rückhalteelement konzentrieren, sondern über die Fläche des Rückhalteelement verteilt sind. Dadurch wird die Druckdifferenz vor und nach dem Rückhalteelement möglichst klein gehalten, sodass viele zu detektierende Zellen möglichst lange auf dem Rückhalteelement zurückgehalten werden. Dies verbessert die optische Detektion der zu detektierenden Zellen in Echtzeit während das Rückhalteelement von der Zellsuspension durchströmt wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform verbinden sich die zwei oder mehrere Zuführkanäle der Zuführeinheit über dem Rückhalteelement zu einem großen Zuführkanal. In addition, it is advantageous if the restraint device has a feed unit with two or more feed channels. When the cell suspension flows through the retaining element, a homogeneous distribution of the cell suspension on the retaining element is achieved, so that the retained cells are not concentrated on part of the surface of the retaining element, but rather are distributed over the surface of the retaining element. As a result, the pressure difference before and after the retaining element is kept as small as possible, so that many cells to be detected are retained on the retaining element for as long as possible. This improves the optical detection of the cells to be detected in real time while the cell suspension flows through the retaining element. In an advantageous embodiment, the two or more feed channels of the feed unit connect to form one large feed channel via the retaining element.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantageous embodiments emerge from the dependent claims.
So ist es von Vorteil, wenn das Rückhalteelement zumindest teilweise aus einem optisch transparenten Material gefertigt ist, insbesondere aus einem Polycarbonat und/oder einem Cycloolefin-Copolymer (COC) und/oder aus einem Glas. It is advantageous if the retaining element is made at least partially from an optically transparent material, in particular from a polycarbonate and/or a cycloolefin copolymer (COC) and/or from a glass.
Vorteilhaft bei der Verwendung eines Polycarbonats ist, dass dieses eine hohe Schlagfestigkeit sowie ein geringes Gewicht aufweist. The advantage of using a polycarbonate is that it has high impact strength and is light in weight.
Vorteilhaft bei der Verwendung eines Glases ist, dass dieses weitgehend kratzfest und somit sehr langlebig ist. The advantage of using a glass is that it is largely scratch-resistant and therefore very durable.
Vorteilhaft bei der Verwendung eines COCs ist, dass es kostengünstig produziert werden kann, bruchresistent ist und eine geringe Dichte sowie ein geringes Gewicht aufweist. The advantage of using a COC is that it can be produced inexpensively, is break-resistant and has a low density and low weight.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Poren des Rückhalteelements einen Durchmesser von 3 pm - 20 pm, bevorzugt von 4 pm - 8 pm, auf. In a further advantageous embodiment, the pores of the retaining element have a diameter of 3 μm-20 μm, preferably 4 μm-8 μm.
Derartige Porendurchmesser sind beispielsweise bei einer Separierung von CTCs aus einer Zellsuspension vorteilhaft. Die meisten CTCs weisen einen etwas größeren Durchmesser auf und sind weniger deformierbar als beispielsweise Leukozyten, sodass die CTCs selektiv am Durchtritt durch das Rückhalteelement gehindert werden. Such pore diameters are advantageous, for example, when separating CTCs from a cell suspension. Most CTCs have a slightly larger diameter and are less deformable than, for example, leukocytes, so that the CTCs are selectively prevented from passing through the retaining element.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Rückhalteelement eine einer Zellsuspension aussetzbare Fläche von 1 mm2 - 500 mm2, bevorzugt von 3 mm2 - 100 mm2, auf. Vorteilhaft hierbei ist, dass sich die Zellen eines Probenvolumens einer Zellsuspension von beispielsweise 20 - 300 pl bei einer derartigen Fläche statistisch auf dem Rückhalteelement so verteilen, dass der Abstand der Zellen voneinander eine gute optische Detektion erlaubt. In a further advantageous embodiment, the retaining element has an area of 1 mm 2 -500 mm 2 , preferably 3 mm 2 -100 mm 2 , which can be exposed to a cell suspension. It is advantageous here that the cells of a sample volume of a cell suspension of, for example, 20-300 μl are distributed statistically on the retaining element with such an area that the distance between the cells allows good optical detection.
Desweiteren ist es von Vorteil, wenn das Rückhalteelement eine Dicke von 0,9 pm - 20 pm, bevorzugt von 1 pm - 12 pm aufweist. Der Vorteil einer derartigen Dicke ist, dass deformierbare Zellen lange genug brauchen, beispielsweise eine oder mehrere Minuten, um durch das Rückhalteelement hindurchtreten zu können. Durch den verzögerten Durchtritt der Zellen durch das Rückhaltelement wird sichergestellt, dass die Zellen optisch erfasst werden. Furthermore, it is advantageous if the retaining element has a thickness of 0.9 μm-20 μm, preferably 1 μm-12 μm. The advantage of such a thickness is that deformable cells take a long enough time, for example one or more minutes, to be able to pass through the retaining element. The delayed passage of the cells through the retaining element ensures that the cells are detected optically.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Separierung von sich in einer Zellsuspension befindlichen, insbesondere lebenden, Zellen mittels einer erfindungsgemäßen Rückhaltevorrichtung mit nachfolgenden Schritten: b) Zuführen der Zellsuspension zu der Vorrichtung mit Rückhalteelement c) Optische Detektion der durch das Rückhalteelement rückgehaltenen Zellen und/oder der Zellen, deren Durchtritt durch das Rückhalteelement verzögert ist, wobei die Detektion in Echtzeit während des Durchströmens der Zellsuspension durch das Rückhalteelement erfolgt. The subject matter of the invention is also a method for separating cells, in particular living cells, located in a cell suspension by means of a retaining device according to the invention with the following steps: b) supplying the cell suspension to the device with retaining element c) optical detection of the cells retained by the retaining element and/or or of the cells whose passage through the retaining element is delayed, the detection taking place in real time during the passage of the cell suspension through the retaining element.
Die sich daraus ergebenden Vorteile sind bereits vorstehend zu der erfindungsgemäßen Rückhaltevorrichtung beschrieben. The resulting advantages have already been described above for the restraint device according to the invention.
Zudem ist es vorteilhaft, dass die Viabilität der zu detektierenden Zellen nicht beeinträchtigt wird, sodass die Zellen zum einen bei der Detektion ihre typischen Verhaltensweisen und phänotypischen Merkmale aufweisen und zum anderen im Anschluss an die Detektion weitere Analysen mit den Zellen durchgeführt werden können. In addition, it is advantageous that the viability of the cells to be detected is not impaired, so that on the one hand the cells exhibit their typical behavior and phenotypic characteristics upon detection and on the other hand further analyzes can be carried out with the cells following the detection.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens geht Schritt b) ein zusätzlicher Schritt a) voran: a) Markierung der zu detektierenden Zellen in der Zellsuspension, wobei insbesondere die Viabilität der zu detektierenden Zellen erhalten bleibt. In an advantageous embodiment of the method, step b) is preceded by an additional step a): a) labeling of the cells to be detected in the cell suspension, with the viability of the cells to be detected in particular being retained.
In Schritt c) erfolgt dann die optische Detektion der durch das Rückhalteelement rückgehaltenen, markierten Zellen und/oder der markierten Zellen, deren Durchtritt durch das Rückhalteelement verzögert ist, wobei die Detektion in Echtzeit während des Durchströmens der Zellsuspension durch das Rückhalteelement erfolgt. In herkömmlichen Verfahren findet oft zunächst eine Filtration statt, gefolgt von Färbeschritten, beispielsweise auf dem Rückhalteelement selbst, und einer anschließenden Detektion der zu detektierenden Zellen. Vor der Färbung beispielsweise auf dem Rückhalteelement werden die zu detektierenden Zellen hier oftmals mit einer Fixierlösung, wie zum Beispiel Formaldehyd, behandelt, die es ermöglicht, Strukturen im Inneren der Zellen anzufärben. Hierdurch werden die Zellen jedoch inaktiviert und konserviert. In step c), the marked cells retained by the retaining element and/or the marked cells whose passage through the retaining element is delayed is then optically detected, the detection taking place in real time while the cell suspension is flowing through the retaining element. In conventional methods, filtration often takes place first, followed by staining steps, for example on the retention element itself, and subsequent detection of the cells to be detected. Before staining, for example on the retaining element, the cells to be detected are often treated with a fixing solution, such as formaldehyde, which makes it possible to stain structures inside the cells. However, this inactivates and preserves the cells.
Vorteilhaft bei der dieser Erfindung zugrundeliegenden Färbestrategie mit einer dem Separationsvorgang vorausgehenden Markierung ist, dass die zu detektierenden Zellen bereits detektiert werden können während sie das Rückhalteelement durchströmen. The advantage of the staining strategy on which this invention is based, with a marking preceding the separation process, is that the cells to be detected can already be detected while they are flowing through the retaining element.
Zudem ist keine Fixierung der Zellen beispielsweise auf dem Rückhalteelement notwendig, sodass die Viabilität der markierten, zu detektierenden Zellen erhalten bleibt. Auf diese Weise können bei deren Detektion in Echtzeit typische Verhaltensweisen und phänotypischen Merkmale der markierten, zu detektierenden Zellen beobachtet und erfasst werden. Zudem können nach der Detektion weitere Analysen mit den lebenden Zellen durchgeführt werden oder sich beispielsweise molekulardiagnostische Analysen anschließen. Hierzu werden die rückgehaltenen Zellen beispielsweise mit einem Gesamtzell- Lysepuffer lysiert, beispielsweise in ein externes Probengefäß überführt und die Desoxyribonukleinsäuren (deoxyribonucleic acid, DNA) und Ribonukleinsäuren (ribonucleic acid, RNA) der Zellen extrahiert. Auch mit den Zellen, welche das Rückhalteelement passieren, die also im Filtrat vorhanden sind, können weiterführende Analysen durchgeführt werden. In addition, there is no need to fix the cells, for example on the retaining element, so that the viability of the marked cells to be detected is retained. In this way, when they are detected, typical behaviors and phenotypic characteristics of the marked cells to be detected can be observed and recorded in real time. In addition, further analyzes can be carried out with the living cells after detection or, for example, molecular diagnostic analyses. For this purpose, the retained cells are lysed, for example with a total cell lysis buffer, for example transferred to an external sample vessel and the deoxyribonucleic acids (deoxyribonucleic acid, DNA) and ribonucleic acids (ribonucleic acid, RNA) of the cells are extracted. Further analyzes can also be carried out with the cells which pass through the retention element, ie which are present in the filtrate.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Markierung der zu detektierenden Zellen durch Anfärben mit Carboxyfluoresceinsuccinimidylester (CFSE) und/oder mit Propidiumiodid (PI) und/oder durch Markieren von Oberflächenantigenen, insbesondere durch fluoreszierende Antikörper und/oder mittels einer Desoxyribonukleinsäure-bindenden Markierung erfolgt. It is advantageous here if the cells to be detected are labeled by staining with carboxyfluorescein succinimidyl ester (CFSE) and/or with propidium iodide (PI) and/or by labeling of surface antigens, in particular by fluorescent antibodies and/or by means of a label that binds deoxyribonucleic acid .
CFSE ist ein fluoreszierender Farbstoff zu Zellfärbung, welcher zellpermeabel ist und über seine Succinimidylgruppe kovalent an bestimmte intrazelluläre Moleküle koppelt. CFSE is a fluorescent cell-staining dye that is cell-permeable and covalently couples to certain intracellular molecules via its succinimidyl group.
Vorteilhaft hierbei ist, dass CFSE nur in lebenden Zellen enzymatisch zum fluoreszierenden Farbstoff umgewandelt wird, sodass nur lebende zu delektierende Zellen ermittelt werden. Zudem vorteilhaft ist, dass die zu detektierenden Zellen für die Färbung nicht fixiert werden müssen. The advantage here is that CFSE is only enzymatically converted to the fluorescent dye in living cells, so that only living cells are deleting cells are determined. Another advantage is that the cells to be detected do not have to be fixed for staining.
Desweiteren kann eine Markierung der Zellen mit PI erfolgen, welches ein Fluoreszenzfarbstoff ist, der spezifisch in Nukleinsäuren interkaliert. Da PI nur die perforierte Zellmembran von toten Zellen durchdringen kann, nicht jedoch die intakte Zellmembran von lebenden Zellen, können auf diese Weise tote zu detektierende Zellen detektiert werden. Eine kombinierte Färbung mit CFSE und PI erlaubt eine kombinierte optische Unterscheidung zwischen lebenden und toten zu detektierenden Zellen. Dies ist beispielsweise dann von großer Wichtigkeit, wenn es um die Erforschung, Diagnose oder Behandlung von Krankheiten geht. Bei Krebspatienten beispielsweise geht nur von lebenden Tumorzellen ein Metastasierungsrisiko aus. Somit ist hier die Lebendzellzahl entscheidend. Furthermore, the cells can be labeled with PI, which is a fluorescent dye that intercalates specifically in nucleic acids. Since PI can only penetrate the perforated cell membrane of dead cells, but not the intact cell membrane of living cells, dead cells to be detected can be detected in this way. A combined staining with CFSE and PI allows a combined visual differentiation between living and dead cells to be detected. This is of great importance, for example, when it comes to researching, diagnosing or treating diseases. In cancer patients, for example, only living tumor cells pose a risk of metastasis. The number of living cells is therefore decisive here.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass auch für eine Markierung mit PI keine Fixierung der zu detektierenden Zellen notwendig ist. It is also advantageous that the cells to be detected do not have to be fixed for labeling with PI.
Desweiteren können verschiedene Oberflächenantigene der zu detektierenden Zellen detektiert werden. Furthermore, various surface antigens of the cells to be detected can be detected.
Antigene sind meistens Proteine, können aber auch Kohlenhydrate, Lipide oder andere Stoffe sein, an die sich beispielsweise spezifische Antikörper binden können. Beispiele solcher Antigene sind das epitheliale Zelladhäsionsmolekül (engl. epithelial cell adhesion molecule, EpCAM) und Cytokeratine. Antigens are mostly proteins, but can also be carbohydrates, lipids or other substances to which specific antibodies can bind, for example. Examples of such antigens are the epithelial cell adhesion molecule (EpCAM) and cytokeratins.
EpCAM ist ein auf verschiedenen Epithelzellen vorkommendes Oberflächenprotein und Zelladhäsionsmolekül, welches beispielsweise für Zell- Zell-Kontakte zuständig ist. EpCAM gilt beispielsweise als einer der typischen Marker für CTCs. EpCAM is a surface protein and cell adhesion molecule found on various epithelial cells, which is responsible for cell-cell contacts, for example. For example, EpCAM is considered to be one of the typical markers for CTCs.
Cytokeratine sind Proteine, die im Zellinneren von Zellen epithelialen Ursprungs vorkommen. Verschiedene Epithelzellen exprimieren unterschiedliche Cytokeratine auf ihrer Zelloberfläche. Cytokeratine sind typische Marker in der diagnostischen Pathologie, insbesondere für die Erkennung von Tumoren. Verschiedene Tumore können beispielsweise anhand des gleichen Musters an Cytokeratinen von anderen Tumoren unterschieden werden. Bestimmte Cytokeratine sind somit beispielsweise Marker für CTCs. Cytokeratins are proteins found inside cells of epithelial origin. Different epithelial cells express different cytokeratins on their cell surface. Cytokeratins are typical markers in diagnostic pathology, especially for the detection of tumors. For example, different tumors can be distinguished from other tumors based on the same pattern of cytokeratins. Certain cytokeratins are thus markers for CTCs, for example.
Allophycocyanin (APC) ist ein bei der Fotosynthese von Cyanobakterien und Rotalgen beteiligtes Pigment sowie ein heller Fluoreszenzfarbstoff. Allophycocyanin kann an einen Antikörper gekoppelt werden, sodass nach dessen Bindung spezifische Antigene von Zielzellen fluoreszenzmikroskopisch nachgewiesen werden können. Allophycocyanin (APC) is a pigment involved in the photosynthesis of cyanobacteria and red algae, as well as a bright fluorescent dye. Allophycocyanin can be coupled to an antibody so that specific antigens of target cells can be detected by fluorescence microscopy after binding.
Ein EpCAM bindender fluoreszenzmarkierter Antikörper ist beispielsweise Anti- EpCAM-Allophycocyanin. Ein Cytokeratin bindender fluoreszenzmarkierter Antikörper ist beispielsweise Anti-Cytokeratin-Allophycocyanin. Vorteilhaft bei der Verwendung der beiden genannten Antikörper ist, dass mit deren Hilfe gezielt zu detektierende Zellen detektiert werden können. Zudem sind diese für die zu detektierenden Zellen ungiftig und erhalten deren Viabilität. Außerdem müssen die zu detektierenden Zellen für die Markierung nicht fixiert werden. A fluorescently labeled antibody that binds to EpCAM is, for example, anti-EpCAM allophycocyanin. A cytokeratin-binding fluorescently labeled antibody is, for example, anti-cytokeratin allophycocyanin. The advantage of using the two antibodies mentioned is that they can be used to specifically detect cells that are to be detected. In addition, these are non-toxic for the cells to be detected and maintain their viability. In addition, the cells to be detected do not have to be fixed for labeling.
Desweiteren können zellkernhaltige von zellkernlosen Zellen mittels bestimmter Markierungen bzw. Färbungen der DNA innerhalb der Zellkerne, unterschieden werden. Kernhaltige Zellen können beispielsweise mittels des Fluoreszenzfarbstoffs 4‘,6-Diamidin-2-phenylindol (DAPI), detektiert werden, welcher die DNA markiert. DAPI durchdringt intakte Zellmembranen, allerdings nur langsam. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Viabilität der zu detektierenden Zellen erhalten bleibt und eine Fixierung der zu detektierenden Zellen für die Markierung nicht notwendig ist. Furthermore, cells with a nucleus can be distinguished from cells without a nucleus by means of certain markings or staining of the DNA within the cell nuclei. Nucleated cells can be detected, for example, using the fluorescent dye 4',6-diamidine-2-phenylindole (DAPI), which labels the DNA. DAPI penetrates intact cell membranes, but only slowly. The advantage here is that the viability of the cells to be detected is retained and it is not necessary to fix the cells to be detected for labeling.
Desweiteren kann der Fluoreszenzfarbstoff 2‘-(4-Ethoxyphenyl)-5-(4-methyl-l- piperazinyl)-2,5‘-bi-lH-benzimidazol trihydrochlorid (Hoechst 33342) zur Anfärbung von DNA verwendet werden. Hoechst 33342 hat sich in Experimenten mit lebenden Zellen bewährt und bietet die Vorteile, dass die Viabilität der zu detektierenden Zellen erhalten bleibt und diese zudem sehr schnell angefärbt werden. Zudem vorteilhaft ist, dass die zu detektierenden Zellen für die Markierung nicht fixiert werden müssen. Furthermore, the fluorescent dye 2'-(4-ethoxyphenyl)-5-(4-methyl-l-piperazinyl)-2,5'-bi-lH-benzimidazole trihydrochloride (Hoechst 33342) can be used to stain DNA. Hoechst 33342 has proven itself in experiments with living cells and offers the advantages that the viability of the cells to be detected is retained and they are also stained very quickly. It is also advantageous that the cells to be detected do not have to be fixed for marking.
Ferner ist es von Vorteil, wenn in Schritt c) zumindest einer der nachfolgenden Parameter detektiert wird: Anzahl der zu detektierenden Zellen und/oder Durchmesser der zu detektierenden Zellen und/oder Zellkontur der zu detektierenden Zellen und/oder Durchtrittszeit der zu detektierenden Zellen durch das Rückhalteelement und/oder Bestimmung der Deformation der zu detektierenden Zellen beim Durchtritt durch das Rückhalteelement und/oder Homogenität des in die zu detektierenden Zellen eingelagerten oder gebundenen Mittels zur Markierung. Vorteilhaft hierbei ist, dass im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen zur Separierung von Zellen, in welchen die zu detektierenden Zellen erst nach dem Rückhaltevorgang detektiert werden, viele zusätzliche Informationen über die Zellen, die nur während des Durchtrittsvorgangs in Echtzeit in dieser Form ermittelt werden können, gesammelt werden. Solche Informationen sind beispielsweise die Durchtrittszeit und das Deformationsvermögen einer Zelle, welche zunächst durch das Rückhalteelement zurückgehalten wird und nach einer gewissen Zeit doch durch dieses hindurchtritt. It is also advantageous if at least one of the following parameters is detected in step c): number of cells to be detected and/or diameter of the cells to be detected and/or cell contour of the cells to be detected and/or transit time of the cells to be detected through the Retaining element and/or determining the deformation of the cells to be detected when passing through the retaining element and/or the homogeneity of the labeling agent embedded or bound in the cells to be detected. The advantage here is that compared to conventional approaches to the separation of cells, in which the cells to be detected are only detected after the retention process, a lot of additional information about the cells, which can only be determined in this form in real time during the passage process, is collected. Such information is, for example, the passage time and the deformation capacity of a cell, which is initially retained by the retaining element and then after a certain time passes through it.
Desweiteren ist es von Vorteil, dass auf diese Weise umfangreiche Informationen zu den zu detektieren Zellen gesammelt werden können, aufgrund welcher präzisere Aussagen beispielsweise über ein Krankheitsbild, einen Krankheitsverlauf oder weitere Therapiemöglichkeiten getroffen werden können. Zudem lassen sich auf diese Weise Zusammenhänge zwischen den zu detektierenden Zellen, deren Merkmalen und einem typischen Krankheitsbild ermitteln, wie beispielsweise Aussagen über die Heterogenität eines Tumors bei Krebspatienten. Furthermore, it is advantageous that extensive information about the cells to be detected can be collected in this way, on the basis of which more precise statements can be made, for example, about a clinical picture, the course of a disease or other treatment options. In addition, relationships between the cells to be detected, their characteristics and a typical clinical picture can be determined in this way, such as statements about the heterogeneity of a tumor in cancer patients.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Detektion der zu detektierenden Zellen durch Aufnahme von Einzelbildern in definierten Zeitabständen, insbesondere nach 0,1 - 60 Sekunden, bevorzugt nach 1 - 10 Sekunden. Die Bildrate ist hierbei ein individuell einstellbarer Parameter. In an advantageous embodiment, the cells to be detected are detected by recording individual images at defined time intervals, in particular after 0.1-60 seconds, preferably after 1-10 seconds. The frame rate is an individually adjustable parameter.
Vorteilhaft bei der Aufnahme von Einzelbildern ist, dass insbesondere die gesamte Fläche des Rückhalteelements optisch erfasst wird und auf diese Weise viel mehr zu detektierende Zellen identifiziert werden können im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Solche herkömmliche Methode sind beispielsweise die Messung mittels eines Durchflusszytometers, wo Zellen beim Vorbeiströmen an einem Messpunkt optisch erfasst werden oder Filtrationsansätze, in welchen oft diejenigen zu detektierenden Zellen verloren gehen, die die Poren des Rückhalteelement sofort, oder nach einer kurzen Rückhaltezeit aufgrund von Zelldeformation passieren. When recording individual images, it is advantageous that in particular the entire surface of the retaining element is recorded optically and in this way many more cells to be detected can be identified in comparison to conventional methods. Such conventional methods are, for example, measurement using a flow cytometer, where cells are optically recorded as they flow past a measuring point, or filtration approaches, in which those cells to be detected that pass through the pores of the retention element immediately or after a short retention time due to cell deformation are often lost .
Desweiteren vorteilhaft bei einer Detektion durch Aufnahme von Einzelbildern ist, dass sehr präzise Ergebnisse ermittelt werden. Zudem ist eine Einzelzellcharakterisierung möglich, wobei einzelnen Zellen beobachtet werden, sodass Rückschlüsse über die Durchtrittsdauer durch das Rückhalteelement und die Deformierbarkeit der zu detektierenden Zellen gezogen werden können. Desweiteren ist die Zellsuspension beispielsweise eine Blutprobe. Aus den Zellen, welche sich im Blut befinden können beispielsweise klinisch relevante Informationen gewonnen werden, die ein aktuelles Bild der Gesundheit oder Krankheit des Blutspenders erlauben. Another advantage of detection by recording individual images is that very precise results are determined. In addition, a single cell characterization is possible, with individual cells being observed, so that conclusions can be drawn about the passage time through the retaining element and the deformability of the cells to be detected. Furthermore, the cell suspension is a blood sample, for example. For example, clinically relevant information can be obtained from the cells that are in the blood, which allow an up-to-date picture of the health or illness of the blood donor.
Die Blutprobe ist beispielsweise vorbehandelt, zum Beispiel durch selektive Lyse der Erythrozyten. For example, the blood sample is pretreated, for example by selective lysis of the erythrocytes.
Die zu detektierenden Zellen sind beispielsweise zirkulierende Tumorzellen. CTCs sind Zellen epithelialen Ursprungs, welche sich von einem Primärtumorzellverband abgelöst haben und in die Lymphgefäße oder den Blutkreislauf gelangt sind und dort zirkulieren. Einige CTCs sind in der Lage, in entfernte Organe einzuwandern und dort Metastasen zu bilden. The cells to be detected are, for example, circulating tumor cells. CTCs are cells of epithelial origin that have detached from a primary tumor cell cluster and entered the lymphatic vessels or the bloodstream and circulate there. Some CTCs are able to migrate to distant organs and form metastases there.
CTCs haben einen Zellkern und tragen auf ihrer Zelloberfläche oftmals die Proteine EpCAM und Cytokeratine. CTCs sind gegenüber anderen Blutzellen oftmals größer und weniger deformierbar. So können CTCs mittels eines Rückhalteelements mit geeignetem Porendurchmesser von anderen, kleineren Blutzellen abgetrennt werden. Die Größe der CTCs hängt jedoch stark von ihrem Ursprungsort und der Tumorart ab. Selten gibt es auch CTCs, die kleiner sind als Blutzellen. Bei konventionellen Filtrationsansätzen, wird die Anzahl der vom Rückhalteelement zurückgehaltenen Zellen nach dem Filtrationsvorgang bestimmt. Nicht erfasst werden hierbei CTCs, welche vom Rückhalteelement zunächst zurückgehalten werden, dieses aber nach kurzer Zeit doch passieren. Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die CTCs in Echtzeit während des Rückhaltevorgangs detektiert werden, und somit auch solche CTCs erfasst werden, deren Durchtritt durch das Rückhalteelement verzögert ist. Auf diese Weise kann eine größere Anzahl an CTCs erfasst werden. Dies führt zu einem präziseren Ergebnis, welches wiederum wertvolle Informationen für die Einstufung und Behandlung eines Tumors liefert. CTCs have a cell nucleus and often carry the proteins EpCAM and cytokeratins on their cell surface. CTCs are often larger and less deformable than other blood cells. Thus, CTCs can be separated from other, smaller blood cells by means of a retaining element with a suitable pore diameter. However, the size of the CTCs is highly dependent on their site of origin and the type of tumor. Rarely, there are also CTCs that are smaller than blood cells. With conventional filtration approaches, the number of cells retained by the retention element is determined after the filtration process. CTCs that are initially held back by the restraining element but then pass through after a short time are not recorded here. The advantage of the method according to the invention is that the CTCs are detected in real time during the restraining process, and thus those CTCs whose passage through the restraining element is delayed are also detected. In this way, a larger number of CTCs can be recorded. This leads to a more precise result, which in turn provides valuable information for the classification and treatment of a tumor.
In einer vorteilhaften Ausführungsform pumpt eine Pumpe die Zellsuspension mit einer konstanten Flussrate durch die Rückhaltevorrichtung, wobei die Flussrate insbesondere zwischen 0,01 pl/s und 100 pl/s, bevorzugt zwischen 0,2 pl/s und 5 pl/s liegt. In an advantageous embodiment, a pump pumps the cell suspension through the retention device at a constant flow rate, the flow rate being in particular between 0.01 pl/s and 100 pl/s, preferably between 0.2 pl/s and 5 pl/s.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die wirkenden Scherkräfte die Zellen der Zellsuspension, beispielsweise im mikrofluidischen Umfeld, in diesem Flussratenbereich nicht dahingehend verändern, dass sie nicht mehr vom Rückhalteelement zurückgehalten oder optisch detektiert werden können. Vorteilhaft hierbei ist, dass unter Berücksichtigung der wirkenden Scherkräfte bei derartigen Flussraten sicher gestellt ist, dass die zu detektierenden Zellen der Zellsuspension, beispielsweise in einem mikrofluidischen Umfeld, durch das Rückhalteelement zurückgehalten werden und optisch detektiert werden können und nicht so verändert werden, dass sie nicht mehr vom Rückhalteelement zurückgehalten oder optisch detektiert werden können. Weiterhin ist die Gesamtzeit, in der die Zellsuspension durch die Rückhaltevorrichtung gepumpt wird möglichst reduziert, wobei die zu detektierenden Zellen jedoch weiterhin durch das optische System erfasst werden. The advantage here is that the acting shear forces do not change the cells of the cell suspension, for example in the microfluidic environment, in this flow rate range to such an extent that they can no longer be retained by the retaining element or optically detected. The advantage here is that, taking into account the shear forces acting at such flow rates, it is ensured that the cells of the cell suspension to be detected, for example in a microfluidic environment, are retained by the retaining element and can be detected optically and are not changed in such a way that they cannot more can be retained or optically detected by the retaining element. Furthermore, the total time in which the cell suspension is pumped through the retention device is reduced as much as possible, while the cells to be detected continue to be captured by the optical system.
Auch können bei mehreren Durchläufen zur Separierung von Zellen mittels der erfindungsgemäßen Rückhaltevorrichtung unterschiedliche konstante Flussraten eingestellt werden, sodass verschiedene Dynamiken und Verhaltensweisen der zu detektierenden Zellen beim Durchtritts durch das Rückhalteelement beobachtet werden können, wie beispielsweise Unterschiede in der Verweildauer auf dem Rückhalteelement vor dem Durchtritt oder Unterschiede in der Deformierbarkeit der zu detektierenden Zellen. Different constant flow rates can also be set for several passes to separate cells using the retention device according to the invention, so that different dynamics and behavior of the cells to be detected can be observed when passing through the retention element, such as differences in the dwell time on the retention element before passage or Differences in the deformability of the cells to be detected.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform pumpt eine Pumpe die Zellsuspension mit einer variierenden Flussrate durch die Rückhaltevorrichtung, wobei die Flussrate insbesondere zwischen 0,01 pl/s und 100 pl/s, bevorzugt zwischen 0,2 pl/s und 5 pl/s liegt. In an alternative advantageous embodiment, a pump pumps the cell suspension through the retention device at a varying flow rate, the flow rate being in particular between 0.01 pl/s and 100 pl/s, preferably between 0.2 pl/s and 5 pl/s.
Eine variierende Flussrate bedingt, dass auch die Druckdifferenz vor und nach dem Rückhalteelement variiert. A varying flow rate means that the pressure difference before and after the retaining element also varies.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die Zellen, die bereits von dem Rückhalteelement zurückgehalten werden nicht kontinuierlich mit Druck beaufschlagt sind und dadurch länger auf dem Rückhalteelement verweilen können, sodass sie länger detektierbar sind und bei Bedarf auch wieder von dem Rückhalteelement abgelöst werden können indem die Flussrate erhöht wird. The advantage here is that the cells that are already retained by the retaining element are not continuously pressurized and can therefore remain longer on the retaining element, so that they can be detected longer and, if necessary, can be detached from the retaining element again by increasing the flow rate becomes.
In vielen gängigen Chiplabor-Systemen (engl. Lab on a chip, LoC), welche mikrofluidische Systeme zur automatisierten Analyse von Proben auf einem Chip darstellen, sind oftmals nur pulsatile Flussratenverläufe möglich. Vorteilhaft bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung mit pulsatilem Flussprofil ist, dass dieses Verfahren in ein solches LoC-System integrierbar ist. In many common chip laboratory systems (Lab on a chip, LoC), which represent microfluidic systems for the automated analysis of samples on a chip, only pulsatile flow rate profiles are often possible. The advantage of the described embodiment of the invention with a pulsatile flow profile is that this method can be integrated into such a LoC system.
Die Pumpe ist bei der beschriebenen Ausführungsform mit pusatilem Flussprofil beispielsweise eine peristaltische Pumpe. Im Generellen kann zur Ausführung der vorliegenden Erfindung an Stelle einer Pumpe auch ein anderes Beförderungselement verwendet werden. In the described embodiment with a pusatile flow profile, the pump is, for example, a peristaltic pump. In general, a conveying element other than a pump may be used to practice the present invention.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Zellsuspension dem Rückhalteelement portionsweise als Aliquots zugeführt und die vom Rückhalteelement rückgehaltenen Zellen werden nach jedem Aliquot oder nach einer vorbestimmten Anzahl an Aliquots, vom Rückhalteelement entfernt. Vorteilhaft bei der portionsweisen Zuführung als Aliquots ist, dass die Druckdifferenz, die entsteht, sobald ein Großteil der Fläche des Rückhalteelement mit Zellen bedeckt ist, möglichst klein gehalten wird. Auf diese Weise werden möglichst viele zu detektierenden Zellen möglichst lange auf dem Rückhalteelement zurückgehalten, wodurch mehr zu detektierende Zellen detektiert werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Separation und Erfassung von zu detektierenden Zellen aus einem wesentlich größeren Volumen an Zellsuspension möglich ist. Zudem können die zu detektierenden Zellen vor einem höheren Hintergrund an nicht zu detektierenden Zellen identifiziert und erfasst werden. In a further advantageous embodiment, the cell suspension is fed to the retaining element in portions as aliquots and the cells retained by the retaining element are removed from the retaining element after each aliquot or after a predetermined number of aliquots. The advantage of feeding in portions as aliquots is that the pressure difference that occurs as soon as a large part of the surface of the retaining element is covered with cells is kept as small as possible. In this way, as many cells as possible to be detected are retained on the retaining element for as long as possible, as a result of which more cells to be detected can be detected. Another advantage is that the cells to be detected can be separated and recorded from a significantly larger volume of cell suspension. In addition, the cells to be detected can be identified and recorded against a higher background of cells not to be detected.
Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn die vom Rückhalteelement zurückgehaltenen Zellen nach jedem Aliquot oder nach einer vorbestimmten Anzahl an Aliquots vom Rückhalteelement entfernt werden, da auf diese Weise genauere Ergebnisse für Analysen des nächsten Aliquot oder der nächsten Aliquots erhalten werden. Die Entfernung der vom Rückhalteelement rückgehaltenen Zellen kann beispielsweise durch Erhöhung der Druckdifferenz über dem Rückhalteelement oder durch Lyse der vom Rückhalteelement zurückgehaltenen Zellen erfolgen. Furthermore, it is advantageous if the cells retained by the retaining element are removed from the retaining element after each aliquot or after a predetermined number of aliquots, since in this way more precise results are obtained for analyzes of the next aliquot or aliquots. The cells retained by the retention element can be removed, for example, by increasing the pressure difference across the retention element or by lysing the cells retained by the retention element.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Kartusche, insbesondere eine mikrofluidische Kartusche, wie beispielsweise in DE102016222072A1 oder DE102016222075A1 beschrieben, umfassend die vorstehend beschriebene Rückhaltevorrichtung. Die beschriebenen Verfahrensschritte zur Separierung von sich in einer Zellsuspension befindlichen Zellen erfolgen dann beispielsweise alle innerhalb der Kartusche. Ebenfalls innerhalb der Kartusche kann eine Vorbehandlung der Zellsuspension erfolgen, sowie Verfahrensschritte zur Markierung der zu detektierenden Zellen. Zudem können die durch das Rückhalteelement zurückgehaltenen Zellen nach der Detektion innerhalb der Kartusche lysiert werden und das Zelllysat dann beispielsweise in eine zusätzliche Probenkammer auf der Kartusche transportiert werden. In dieser können beispielsweise die DNA und/oder RNA der lysierten Zellen für weitere Analysen extrahiert werden ohne, dass ein zusätzliches externes System hierfür notwendig ist. The subject matter of the invention is also a cartridge, in particular a microfluidic cartridge, as described for example in DE102016222072A1 or DE102016222075A1, comprising the retaining device described above. The method steps described for the separation of cells located in a cell suspension then all take place, for example, inside the cartridge. A pretreatment of the cell suspension can also take place within the cartridge, as well as process steps for labeling the cells to be detected. In addition, the retained by the retaining element cells after detection within the Cartridge are lysed and the cell lysate are then transported, for example, in an additional sample chamber on the cartridge. In this, for example, the DNA and/or RNA of the lysed cells can be extracted for further analysis without the need for an additional external system.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Brief description of the drawing
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt: Embodiments of the present invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description of the figures. It shows:
Fig. la: die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Rückhaltevorrichtung in einer ersten Ausführungsform mit Rückhalteelement und einer Zuführeinheit mit einem Zuführkanal, 1a: the schematic representation of a cross section through a restraint device according to the invention in a first embodiment with restraint element and a feed unit with a feed channel,
Fig. lb: die schematische Darstellung einer Aufsicht auf die erfindungsgemäßeFig. Lb: the schematic representation of a top view of the invention
Rückhaltevorrichtung gemäß Fig. 1, restraint device according to Fig. 1,
Fig. 2: die schematische Darstellung einer Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Rückhaltevorrichtung in einer zweiten Ausführungsform mit Rückhalteelement und einer Zuführeinheit mit zwei Zuführkanälen, 2: the schematic representation of a plan view of a restraint device according to the invention in a second embodiment with restraint element and a feed unit with two feed channels,
Fig. 3a: die schematische Darstellung einer Aufsicht auf ein Rückhalteelement gemäß3a: the schematic representation of a top view of a retaining element according to FIG
Fig. 1 oder 2 nach einem ersten Zeitabschnitt, 1 or 2 after a first period of time,
Fig. 3b: die schematische Darstellung einer Aufsicht auf ein Rückhalteelement gemäß3b: the schematic representation of a top view of a retaining element according to FIG
Fig. 1 oder 2 nach einem zweiten Zeitabschnitt, 1 or 2 after a second period of time,
Fig. 3c: die schematische Darstellung einer Aufsicht auf ein Rückhalteelement gemäß3c: the schematic representation of a top view of a retaining element according to FIG
Fig. 1 oder 2 nach einem dritten Zeitabschnitt, und 1 or 2 after a third period, and
Fig. 4: die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Kartusche umfassend eine Rückhaltevorrichtung gemäß Fig. la. 4 shows the schematic representation of a cross section through a cartridge according to the invention comprising a retaining device according to FIG.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Ausführungsformen der Erfindung ADJUSTED SHEET (RULE 91) ISA/EP Embodiments of the invention
In Figur la ist eine erfindungsgemäße Rückhaltevorrichtung 4 zur Separierung von sich in einer Zellsuspension befindlichen Zellen in einer ersten Ausführungsform in einem Querschnitt gezeigt. Die Rückhaltevorrichtung 4 umfasst eine Zuführeinheit 1, beispielsweise einen Zulaufkanal, und ein Rückhalteelement 2 mit Poren, beispielsweise einen Mikrofilter und/oder ein Mikrosieb, sowie eine Ablaufeinheit 3, beispielsweise einen Ablaufkanal. Das Rückhalteelement 2 ist zumindest teilweise aus einem optisch transparenten Material gefertigt, wie beispielsweise einem Polycarbonat und/oder einem Cycloolefin-Copolymer und/oder einem Glas. Die Poren des Rückhalteelements 2 weisen beispielsweise einen Durchmesser von 3 pm bis 20 pm und bevorzugt von 4 pm bis 8 pm auf. Das Rückhalteelement 2 weist beispielsweise eine einer Zellsuspension aussetzbare Fläche von 1 mm2 - 500 mm2, und bevorzugt von 3 mm2 - 100 mm2 auf. Das Rückhalteelement 2 weist beispielsweise eine Dicke von 0,9 pm - 20 pm, und bevorzugt von 1 pm - 12 pm auf. Desweiteren umfasst die Rückhaltevorrichtung 4 eine optische Detektionseinheit 5, welche so angeordnet ist, dass sie die Fläche des Rückhalteelements 2 optisch erfasst. Die optische Detektionseinheit 5 ist beispielsweise eine CMOS (engl. Complementary Metal Oxide Semiconductor, dt. komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) oder CCD (engl. Charge-Coupled Device, dt. ladungsgekoppeltes Gerät) basierte Kamera mit einer Auflösung von beispielsweise 1-4 MP je nach Fläche des Rückhalteelements sowie mit 1- 10 fps je nach Flussrate. FIG. 1a shows a cross section of a first embodiment of a retaining device 4 according to the invention for separating cells located in a cell suspension. The retention device 4 comprises a feed unit 1, for example an inlet channel, and a retention element 2 with pores, for example a microfilter and/or a microsieve, and an outlet unit 3, for example an outlet channel. The retaining element 2 is at least partially made of an optically transparent material, such as a polycarbonate and/or a cycloolefin copolymer and/or a glass. The pores of the retaining element 2 have, for example, a diameter of 3 μm to 20 μm and preferably 4 μm to 8 μm. The retaining element 2 has, for example, an area of 1 mm 2 -500 mm 2 , and preferably 3 mm 2 -100 mm 2 , which can be exposed to a cell suspension. The retaining element 2 has, for example, a thickness of 0.9 μm-20 μm, and preferably 1 μm-12 μm. Furthermore, the restraining device 4 comprises an optical detection unit 5 which is arranged in such a way that it optically detects the surface of the restraining element 2 . The optical detection unit 5 is, for example, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) or CCD (Charge-Coupled Device)-based camera with a resolution of, for example, 1-4 MP depending on the area of the retaining element and with 1-10 fps depending on the flow rate.
Die in der Zellsuspension vorliegenden Zellen werden beispielsweise markiert, insbesondere mittels Fluoreszenzfarbstoffen, bevor sie der Rückhaltevorrichtung 4 zugeführt werden. Die Zellsuspension, in welcher die, beispielsweise markierten, zu detektierenden Zellen vorliegen, wird der Rückhaltevorrichtung 4 über die Zuführeinheit 1 zugeführt. Mittels einer nicht in den Figuren dargestellten Pumpe wird die Zellsuspension mit einer konstanten Flussrate oder mit einer variierenden Flussrate durch das Rückhaltevorrichtung 4 gepumpt. Hierbei liegt die Flussrate jeweils beispielsweise zwischen 0,01 pl/s und 100 pl/s, und bevorzugt zwischen 0,2 pl/s und 5 pl/s. Die Zellsuspension wird dem Rückhalteelement 2 beispielsweise auf einmal zugeführt. Alternativ wird die Zellsuspension dem Rückhalteelement 2 portionsweise als Aliquots zugeführt und die vom Rückhalteelement 2 rückgehaltenen Zellen werden nach jedem Aliquot oder nach einer vorbestimmten Anzahl an Aliquots vom Rückhalteelement 2, beispielsweise durch Erhöhung der Druckdifferenz über dem Rückhalteelement oder durch Lyse der zurückgehaltenen Zellen, entfernt. Die Zellsuspension durchströmt das Rückhalteelement 2, welches Zellen, die beispielsweise zu groß und zu steif sind, um die Poren des Rückhalteelements 2 zu passieren zurückhält und welches Zellen, die beispielsweise klein genug oder deformierbar genug sind, um die Poren des Rückhalteelements 2 zu passieren, hindurchtreten lässt. Während des Durchströmens der Zellsuspension durch das Rückhalteelement 2 werden die durch das Rückhalteelement 2 rückgehaltenen, beispielsweise markierten, Zellen und/oder Zellen, deren Durchtritt durch das Rückhalteelement 2 verzögert ist, in Echtzeit von der optischen Detektionseinheit 5 optisch erfasst. Die in Echtzeit Detektion der zu detektierenden Zellen erfolgt beispielsweise durch Aufnahme von Einzelbildern in definierten Zeitabständen, insbesondere nach 0,1 - 60 Sekunden, und bevorzugt nach 1 - 10 Sekunden während das Rückhalteelement 2 von der Zellsuspension durchströmt wird. Bei fluoreszenzmarkierten zu detektierenden Zellen erfolgt die in Echtzeit Detektion beispielsweise durch Aufnahme von Einzelbildern in definierten Zeitabständen in jedem zur Detektion der jeweiligen Fluoreszenzmarkierung benötigten Farbkanal. Je nach Markierung erfolgt die Detektion also gleichzeitig in unterschiedlichen Farbkanälen. The cells present in the cell suspension are marked, for example, in particular by means of fluorescent dyes, before they are fed to the retention device 4 . The cell suspension, in which the cells to be detected, which are marked for example, are present is fed to the retention device 4 via the feed unit 1 . The cell suspension is pumped through the retention device 4 at a constant flow rate or at a varying flow rate by means of a pump not shown in the figures. Here, the flow rate is in each case, for example, between 0.01 pl/s and 100 pl/s, and preferably between 0.2 pl/s and 5 pl/s. The cell suspension is fed to the retaining element 2, for example, all at once. Alternatively, the cell suspension is fed to the retaining element 2 in portions as aliquots and the cells retained by the retaining element 2 are after each aliquot or removed after a predetermined number of aliquots from the retaining element 2, e.g. by increasing the pressure difference across the retaining element or by lysing the retained cells. The cell suspension flows through the retaining element 2, which retains cells that are, for example, too large and too rigid to pass through the pores of the retaining element 2 and which cells that are, for example, small enough or deformable enough to pass through the pores of the retaining element 2, can pass through. While the cell suspension flows through the retention element 2, the cells retained by the retention element 2, for example marked cells and/or cells whose passage through the retention element 2 is delayed, are optically detected in real time by the optical detection unit 5. The real-time detection of the cells to be detected takes place, for example, by recording individual images at defined time intervals, in particular after 0.1-60 seconds, and preferably after 1-10 seconds, while the cell suspension is flowing through the retaining element 2 . In the case of fluorescence-marked cells to be detected, the real-time detection takes place, for example, by recording individual images at defined time intervals in each color channel required for the detection of the respective fluorescence marking. Depending on the marking, the detection thus takes place simultaneously in different color channels.
Die aufgenommenen Einzelbilder werden beispielsweise von einer Auswertesoftware mit einem algorithmischen Verfahren ausgewertet. Die Ergebnisse dieser Analyse können in Echtzeit oder alternativ nach einem Durchlauf der Zellsuspension durch die Rückhaltevorrichtung 4 ausgegeben werden. Die Anzahl der Zielzellen kann zu jedem aufgenommenen Zeitpunkt bestimmt werden. The recorded individual images are evaluated, for example, by evaluation software using an algorithmic method. The results of this analysis can be output in real time or alternatively after the cell suspension has passed through the retaining device 4 . The number of target cells can be determined at each recorded point in time.
Bei markierten Zellen kann anhand der spezifischen Markierung rückgeschlossen werden, um was für eine Zelle es sich handelt. Auf diese Weise erhält man je nach Markierung beispielsweise Aufschluss über die Anzahl an lebenden und toten Zellen, zellkernhaltigen und zellkernlosen Zellen und Zellen, deren spezifischen Oberflächenantigene markiert sind, sodass eine Unterscheidung zwischen Zielzelle und nicht-Zielzelle möglich ist. Zudem erhält man beispielsweise Aufschluss darüber, wie viele detektierte Zielzellen in der gesamten Zellsuspension vorhanden sind und vom Rückhalteelement 2 zurückgehalten oder vorübergehend zurückgehalten wurden. In the case of marked cells, it can be concluded from the specific marking what kind of cell it is. Depending on the marking, this provides information about the number of living and dead cells, cells with and without a nucleus, and cells whose specific surface antigens are marked, so that it is possible to differentiate between target cells and non-target cells. In addition, information is obtained, for example, about how many detected target cells are present in the entire cell suspension and were retained or temporarily retained by the retaining element 2 .
Es können bei der in Echtzeit Detektion durch die optische Detektionseinheit 5 auch weitere Parameter ermittelt werden wie beispielsweise der Durchmesser der detektierten Zellen und/oder Zellkontur der detektierten Zellen und/oder Durchtrittszeit der detektierten Zellen durch das Rückhalteelement 2 und/oder Bestimmung der Deformation der detektierten Zellen beim Durchtritt durch das Rückhalteelement 2 und/oder Homogenität des in die detektierten Zellen eingelagerten oder gebundenen Mittels zur Markierung. In the case of real-time detection by the optical detection unit 5, other parameters can also be determined, such as the diameter, for example the detected cells and/or cell contour of the detected cells and/or transit time of the detected cells through the retaining element 2 and/or determination of the deformation of the detected cells when passing through the retaining element 2 and/or homogeneity of the agent embedded or bound in the detected cells Mark.
Im Folgenden wird ein Beispiel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, wobei CTCs aus einer Blutprobe mittels der erfindungsgemäßen Rückhaltevorrichtung 4 separiert werden. An example of the implementation of the method according to the invention is described below, with CTCs being separated from a blood sample by means of the retaining device 4 according to the invention.
Zunächst wird die Blutprobe mit der 4 - 8fachen Menge, bevorzugt mit der 5fachen Menge, eines selektiven Erythrozyten-Lysepuffers vermischt und inkubiert. Dadurch werden die im Blut enthaltenen Erythrozyten lysiert, und der Blutfarbstoff Hämoglobin in die Lösung abgegeben. First, the blood sample is mixed with 4-8 times the amount, preferably 5 times the amount, of a selective erythrocyte lysis buffer and incubated. As a result, the erythrocytes contained in the blood are lysed and the blood pigment hemoglobin is released into the solution.
Die erhaltene Suspension enthält die intakten Zellen, also unter anderem die Leukozyten und CTCs und die lysierten Erythrozyten sowie freies Hämeglobin. Die lysierten Erythrozyten und das freie Hämoglobin werden später durch das Rückhalteelement 2 von den zurückgehaltenen Leukozyten und CTCs getrennt. Nach der Erythrozytenlyse oder aber gleichzeitig mit Zugabe des Erythrozyten- Lysepuffers erfolgt beispielsweise eine Markierung der in der Zellsuspension enthaltenen Zellen, ohne dass deren Lebensfähigkeit beeinträchtigt wird und ohne, dass diese fixiert werden müssen. Hierzu wird beispielswiese der Fluoreszenzfarbstoff CFSE, welche nur in lebenden Zellen nachgewiesen werden kann und/oder der Fluoreszenzfarbstoff PI zu der Zellsuspension gegeben. Desweiteren werden beispielsweise Desoxyribonukleinsäure-bindende Marker, wie die Fluoreszenzfarbstoffe DAPI und/oder Hoechst3342, welche zellkernhaltige Zellen markieren, zu der Suspension gegeben. Zudem werden beispielsweise Oberflächenantigene wie beispielsweise EpCAM und/oder Cytokeratine, wie sie auf CTCs vorkommen, markiert, beispielsweise durch Zugabe der fluoreszenzmarkierten Antikörper Anti-EpCAM-Allophycocyanin und/oder der fluoreszenzmarkierten Antikörper Anti-Cytokeratin-Allophycocyanin. Die die beispielsweise fluoreszenzmarkierten Zellen enthaltende Suspension wird dann der Rückhaltevorrichtung 4 über die Zuführeinheit 1 zugeführt. Die Zellsuspension durchströmt das Rückhalteelement 2, welches Zellen, die zu groß und zu steif sind, um die Poren des Rückhalteelements 2 zu passieren zurückhält und welches Zellen, die klein genug oder deformierbar genug sind, um die Poren des Rückhalteelements 2 zu passieren, hindurchtreten lässt. Während des Durchströmens der Zellsuspension durch das Rückhalteelement 2 werden die durch das Rückhalteelement 2 rückgehaltenen, markierten Zellen und/oder markierte Zellen, deren Durchtritt durch das Rückhalteelement 2 verzögert ist, in Echtzeit von der optischen Detektionseinheit 5 optisch erfasst. Die in Echtzeit Detektion erfolgt beispielsweise durch Aufnahme von Einzelbildern in definierten Zeitabständen in jedem zur Detektion der jeweiligen Fluoreszenzmarkierung benötigten Farbkanal. The resulting suspension contains the intact cells, including the leukocytes and CTCs and the lysed erythrocytes, as well as free hemeglobin. The lysed erythrocytes and free hemoglobin are later separated by the retaining element 2 from the retained leukocytes and CTCs. After the erythrocyte lysis or at the same time as the erythrocyte lysis buffer is added, the cells contained in the cell suspension are marked, for example, without their viability being impaired and without them having to be fixed. For this purpose, for example, the fluorescent dye CFSE, which can only be detected in living cells, and/or the fluorescent dye PI is added to the cell suspension. Furthermore, for example, deoxyribonucleic acid-binding markers such as the fluorescent dyes DAPI and/or Hoechst3342, which mark cells containing a cell nucleus, are added to the suspension. In addition, for example, surface antigens such as EpCAM and/or cytokeratins, such as those found on CTCs, are labeled, for example by adding the fluorescence-labeled antibodies anti-EpCAM-allophycocyanin and/or the fluorescence-labeled antibodies anti-cytokeratin allophycocyanin. The suspension containing, for example, the fluorescence-marked cells is then fed to the retention device 4 via the feed unit 1 . The cell suspension flows through the retaining element 2, which retains cells that are too large and stiff to pass through the pores of the retaining element 2 and which allows cells that are small enough or deformable enough to pass through the pores of the retaining element 2 to pass through . During the flow of the cell suspension through the retaining element 2, the marked cells retained by the retaining element 2 and/or marked cells whose passage through the retaining element 2 is delayed are optically detected in real time by the optical detection unit 5 . The real-time detection takes place, for example, by recording individual images at defined time intervals in each color channel required for the detection of the respective fluorescent marking.
Anhand der spezifischen Markierung der detektierten Zellen der Zellsuspension erhält man Aufschluss über die Anzahl an lebenden und toten Zellen, zellkernhaltigen und zellkernlosen Zellen und Zellen, deren spezifischen Oberflächenantigene markiert sind. Anhand dieser Informationen ist eine Unterscheidung zwischen einer CTC und einem Leukozyten möglich. Zudem erhält man beispielsweise Aufschluss darüber, wie viele detektierte CTCs, in der gesamten Zellsuspension vorhanden waren und vom Rückhalteelement 2 zurückgehalten oder vorübergehend zurückgehalten wurden. Die Anzahl der CTCs, kann zu jedem aufgenommenen Zeitpunkt bestimmt werden. Es können zudem weitere Parameter der CTCs ermittelt werden, wie beispielsweise die Lokalisierung der detektierten CTCs auf dem Rückhalteelement 2 und/oder der Durchmesser der detektierten CTCs und/oder die Zellkontur der detektierten CTCs und/oder die Durchtrittszeit der detektierten CTCs durch das Rückhalteelement 2 und/oder Bestimmung der Deformation der detektierten CTCs beim Durchtritt durch das Rückhalteelement 2 und/oder Homogenität des in die detektierte CTCs eingelagerten oder gebundenen Mittels zur Markierung. Alle vorstehend zu Figur 1 beschriebenen Varianten sind mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zur Separierung von CTCs aus einer Blutprobe vereinbar. Based on the specific marking of the detected cells in the cell suspension, information is obtained about the number of living and dead cells, nucleated and nucleated cells and cells whose specific surface antigens are marked. With this information, a distinction can be made between a CTC and a leukocyte. In addition, information is obtained, for example, about how many detected CTCs were present in the entire cell suspension and were retained or temporarily retained by the retention element 2 . The number of CTCs can be determined at each recorded point in time. Further parameters of the CTCs can also be determined, such as the localization of the detected CTCs on the restraint element 2 and/or the diameter of the detected CTCs and/or the cell contour of the detected CTCs and/or the transit time of the detected CTCs through the restraint element 2 and /or determination of the deformation of the detected CTCs when passing through the retaining element 2 and/or the homogeneity of the means for marking embedded or bound in the detected CTCs. All of the variants described above for FIG. 1 are compatible with the exemplary embodiment described for separating CTCs from a blood sample.
In Figur lb ist die Rückhaltevorrichtung 4 gemäß Fig. la in einer Aufsicht gezeigt. Es sind die Zuführeinheit 1, das Rückhalteelement 2 mit Poren, sowie die Ablaufeinheit 3 zu sehen. Nicht dargestellt ist die optische Detektionseinheit 5. In FIG. 1b, the restraining device 4 according to FIG. 1a is shown in a plan view. The feed unit 1, the retaining element 2 with pores, and the discharge unit 3 can be seen. The optical detection unit 5 is not shown.
Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Rückhaltevorrichtung 4 in einer zweiten Ausführungsform. Die Rückhaltevorrichtung 4 weist eine Zuführeinheit 1 mit einem ersten Zuführkanal la und mit einem zweiten Zuführkanal lb auf. Beim Durchströmen des Rückhalteelements 2 mit der Zellsuspension wird so eine homogenere Verteilung der Zellsuspension auf dem Rückhalteelement 2 erzielt im Vergleich zu einer Rückhaltevorrichtung 4 mit nur einem Zuführkanal. Die Zuführkanäle la, lb verbinden sich über dem Rückhalteelement zu einem großen Zuführkanal. Alternativ und nicht in der Figur dargestellt verbinden sich die Zuführkanäle la, lb nicht über dem Rückhalteelement. FIG. 2 shows a top view of a restraining device 4 according to the invention in a second embodiment. The restraining device 4 has a feed unit 1 with a first feed channel la and with a second feed channel lb. When the cell suspension flows through the retention element 2, a more homogeneous distribution of the cell suspension on the retention element 2 is achieved in comparison to a retention device 4 with only one feed channel. The feed channels la, lb connect to form a large feed channel via the retaining element. Alternate and not in the figure shown, the supply channels la, lb do not connect via the retaining element.
Desweiteren weist die Rückhaltevorrichtung 4 eine Ablaufeinheit 3 mit einem ersten Ablaufkanal 3a und einem zweiten Ablaufkanal 3b auf, über welche die Zellsuspension abläuft, nachdem sie das Rückhalteelement 2 passiert hat. Alternativ und nicht dargestellt umfasst die Ablaufeinheit 3 nur einen Ablaufkanal. Dieser weist beispielsweise einen größeren Durchmesser auf als die Zuführkanäle la und lb der Zuführeinheit 1. in einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform umfasst die Rückhaltevorrichtung 4 mehrere Zuführkanäle sowie einen oder mehrere Ablaufkanäle. Furthermore, the retention device 4 has a drainage unit 3 with a first drainage channel 3a and a second drainage channel 3b, through which the cell suspension drains after it has passed the retention element 2 . Alternatively and not shown, the drain unit 3 includes only one drain channel. This has, for example, a larger diameter than the feed channels 1a and 1b of the feed unit 1. In a further embodiment, not shown, the retaining device 4 comprises a plurality of feed ducts and one or more outlet ducts.
Alle vorstehend zu den Figuren la und lb beschriebenen Varianten sind mit der beschriebenen zweiten Ausführungsform der Rückhaltevorrichtung 4 vereinbar. All the variants described above for FIGS. 1a and 1b are compatible with the second embodiment of the restraining device 4 described.
In den Figuren 3a - 3c ist jeweils ein Rückhalteelement 2 gemäß einer der Figuren 1 oder 2 in einer Aufsicht dargestellt. Das Rückhalteelement 2 wird von einer Zellsuspension durchströmt. In Figur 3a ist das Rückhalteelement 2 nach einem ersten Zeitabschnitt dargestellt, in Figur 3b ist das Rückhalteelement 2 nach einem zweiten Zeitabschnitt dargestellt und in Figur 3c ist das Rückhalteelement 2 nach einem dritten Zeitabschnitt dargestellt. In each of FIGS. 3a-3c, a retaining element 2 according to one of FIGS. 1 or 2 is shown in a plan view. A cell suspension flows through the retaining element 2 . In FIG. 3a the retaining element 2 is shown after a first period of time, in FIG. 3b the retaining element 2 is shown after a second period of time and in FIG. 3c the retaining element 2 is shown after a third period of time.
In Figur 3a werden nach einem ersten Zeitabschnitt eine erste Zelle 6a und eine zweite Zelle 6b von dem Rückhalteelement 2 zurückgehalten, da die Zellen beispielsweise einen größeren Durchmesser aufweisen als die Poren des Rückhalteelements 2. In Figur 3b werden nach einem zweiten Zeitabschnitt noch immer die erste Zelle 6a und die zweite Zelle 6b sowie eine dritte Zelle 6c von dem Rückhalteelement 2 zurückgehalten. Auch die dritte Zelle 6c weist beispielsweise einen größeren Durchmesser auf, als die Poren des Rückhalteelement 2. In Figur 3c werden nach einem dritten Zeitabschnitt noch immer die erste Zelle 6a sowie die dritte Zelle 6c von dem Rückhalteelement 2 zurückgehalten. Die zweite Zelle 6b befindet sich nicht mehr auf dem Rückhalteelement 2. Sie hat das Rückhalteelement 2 verzögert passiert, beispielsweise durch eine Zelldeformation. In Figure 3a, after a first period of time, a first cell 6a and a second cell 6b are retained by the retaining element 2, since the cells have, for example, a larger diameter than the pores of the retaining element 2. In Figure 3b, after a second period of time, the first Cell 6a and the second cell 6b and a third cell 6c are retained by the retaining element 2. The third cell 6c also has, for example, a larger diameter than the pores of the retaining element 2. In FIG. 3c, the first cell 6a and the third cell 6c are still retained by the retaining element 2 after a third period of time. The second cell 6b is no longer located on the restraining element 2. It has passed the restraining element 2 with a delay, for example due to a cell deformation.
Die dargestellten Zeitabschnitte entsprechen beispielsweise den Zeitpunkten, zu welchen bei der in Echtzeit Detektion Einzelbilder aufgenommen werden während das Rückhalteelement 2 mit der Zellsuspension durchströmt wird. Hierbei werden sowohl von dem Rückhalteelement 2 dauerhaft zurückgehaltenen Zellen, hier die Zellen 6a und 6c detektiert, als auch Zellen, welche das Rückhalteelement 2 zeitverzögert passieren, hier die Zelle 6b. The periods of time shown correspond, for example, to the times at which individual images are recorded during real-time detection while the cell suspension is flowing through the retaining element 2 . Here, both of the retaining element 2 are permanently retained Cells, here the cells 6a and 6c are detected, as well as cells which pass the retaining element 2 with a time delay, here the cell 6b.
Die Zellen 6a, 6b und 6c weisen unterschiedliche Durchmesser und Zellkonturen auf. Diese Parameter können untere anderen beispielsweise ebenfalls bei der in Echtzeit Detektion durch die optische Detektionseinheit 5 erfasst werden. The cells 6a, 6b and 6c have different diameters and cell contours. Among other things, these parameters can also be detected, for example, by the optical detection unit 5 in real-time detection.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße, insbesondere mikrofluidische, Kartusche 10, welche eine Rückhaltevorrichtung 4 gemäß Fig. la aufweist. Die Rückhaltevorrichtung 4 ist als mikrofluidisches System ausgebildet und umfasst eine Zuführeinheit 1, beispielsweise einen Zulaufkanal, ein Rückhalteelement 2 mit Poren, beispielsweise einen Mikrofilter und/oder ein Mikrosieb, sowie eine Ablaufeinheit 3, beispielsweise einen Ablaufkanal. Alternativ und nicht in Figur 4 dargestellt, umfasst die Kartusche 10 eine Rückhaltevorrichtung 4 in der zweiten Ausführungsform wie in Figur 2 dargestellt. Die zu den Figuren la-3c beschriebenen Schritte zur Separierung von sich in einer Zellsuspension befindlichen Zellen erfolgen dann beispielsweise alle innerhalb der Kartusche 10. So kann beispielsweise eine Vorbehandlung der Zellsuspension innerhalb der Kartusche 10 erfolgen, wie beispielsweise eine Lyse der Erythrozyten im Falle einer Blutprobe, sowie Verfahrensschritte zur Markierung der zu detektierenden Zellen in der Zellsuspension. Zudem können die durch das Rückhalteelement 2 zurückgehaltenen Zellen nach der Detektion in Echtzeit innerhalb der Kartusche 10 lysiert werden und das Zelllysat dann beispielsweise in eine zusätzliche Probenkammer auf der Kartusche 10 transportiert werden. In dieser werden die DNA und/oder RNA der lysierten Zellen beispielsweise für weitere Analysen extrahiert ohne, dass ein zusätzliches externes System hierfür notwendig ist. FIG. 4 shows a cross section through a cartridge 10 according to the invention, in particular a microfluidic cartridge, which has a retaining device 4 according to FIG. The retention device 4 is designed as a microfluidic system and includes a feed unit 1, for example an inflow channel, a retention element 2 with pores, for example a microfilter and/or a microsieve, and an outflow unit 3, for example an outflow channel. Alternatively and not shown in FIG. 4, the cartridge 10 comprises a retaining device 4 in the second embodiment as shown in FIG. The steps for separating cells in a cell suspension described in FIGS , as well as process steps for marking the cells to be detected in the cell suspension. In addition, the cells retained by the retaining element 2 can be lysed in real time after detection within the cartridge 10 and the cell lysate can then be transported, for example, into an additional sample chamber on the cartridge 10 . In this, the DNA and/or RNA of the lysed cells are extracted, for example for further analysis, without the need for an additional external system.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Rückhaltevorrichtung (4) zur Separierung von sich in einer Zellsuspension befindlichen Zellen, umfassend zumindest eine Zuführeinheit (1) und ein Rückhalteelement (2), insbesondere einen Mikrofilter und/oder ein Mikrosieb, mit Poren, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhaltevorrichtung (4) desweiteren eine optische Detektionseinheit (5) zur optischen Detektion in Echtzeit von durch das Rückhalteelement (2) rückgehaltenen Zellen und/oder von Zellen, deren Durchtritt durch das Rückhalteelement (2) verzögert ist, umfasst. 1. Retaining device (4) for separating cells in a cell suspension, comprising at least one feed unit (1) and a retaining element (2), in particular a microfilter and/or a microsieve, with pores, characterized in that the retaining device (4 ) further comprises an optical detection unit (5) for optical real-time detection of cells retained by the retaining element (2) and/or cells whose passage through the retaining element (2) is delayed.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalteelement (2) zumindest teilweise aus einem optisch transparenten Material gefertigt ist, insbesondere aus einem Polycarbonat und/oder einem Cycloolefin-Copolymer und/oder einem Glas. 2. Device according to claim 1, characterized in that the retaining element (2) is made at least partially from an optically transparent material, in particular from a polycarbonate and/or a cycloolefin copolymer and/or a glass.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren des Rückhalteelements (2) einen Durchmesser von 3 pm -20 pm, bevorzugt von 4 pm - 8 pm, aufweisen. 3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the pores of the retaining element (2) have a diameter of 3 pm -20 pm, preferably 4 pm - 8 pm.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalteelement (2) eine einer Zellsuspension aussetzbare Fläche von 1 mm2 - 500 mm2, bevorzugt von 3 mm2 - 100 mm2, aufweist. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the retaining element (2) has an area of 1 mm 2 - 500 mm 2 , preferably 3 mm 2 - 100 mm 2 , which can be exposed to a cell suspension.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalteelement (2) eine Dicke von 0,9 pm - 20 pm, bevorzugt von 1 pm - 12 pm aufweist. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the retaining element (2) has a thickness of 0.9 pm - 20 pm, preferably 1 pm - 12 pm.
6. Verfahren zur Separierung von sich in einer Zellsuspension befindlichen, insbesondere lebenden, Zellen mittels einer Rückhaltevorrichtung (4) gemäß einem der Ansprüche 1-5 mit nachfolgenden Schritten: b) Zuführen der Zellsuspension zu der Vorrichtung (4) mit Rückhalteelement (2) c) Optische Detektion der durch das Rückhalteelement (2) rückgehaltenen Zellen und/oder der Zellen, deren Durchtritt durch das Rückhalteelement (2) verzögert ist, wobei die Detektion in Echtzeit während des Durchströmens der Zellsuspension durch das Rückhalteelement (2) erfolgt. 6. A method for separating cells in a cell suspension, in particular living cells, by means of a retaining device (4) according to one of claims 1-5 with the following steps: b) Supplying the cell suspension to the device (4) with the retaining element (2) c) Optical detection of the cells retained by the retaining element (2) and/or the cells whose passage through the retaining element (2) is delayed, the detection in Takes place in real time while the cell suspension is flowing through the retaining element (2).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei Schritt b) ein zusätzlicher Schritt a) vorangeht: a) Markierung der zu detektierenden Zellen in der Zellsuspension, wobei insbesondere die Viabilität der zu detektierenden Zellen erhalten bleibt, und wobei in Schritt c) die optische Detektion der durch das Rückhalteelement7. The method of claim 6, wherein step b) is preceded by an additional step a): a) labeling of the cells to be detected in the cell suspension, wherein in particular the viability of the cells to be detected is retained, and wherein in step c) the optical detection of through the restraining element
(2) rückgehaltenen, markierten Zellen und/oder der markierten Zellen, deren Durchtritt durch das Rückhalteelement (2) verzögert ist, erfolgt und wobei die Detektion in Echtzeit während des Durchströmens der Zellsuspension durch das Rückhalteelement (2) erfolgt. (2) retained, marked cells and/or marked cells whose passage through the retaining element (2) is delayed, and the detection takes place in real time while the cell suspension is flowing through the retaining element (2).
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Markierung der zu detektierenden Zellen durch Anfärben mit Carboxyfluoresceinsuccinimidylester und/oder mit Propidiumiodid und/oder durch Markieren von Oberflächenantigenen, insbesondere durch fluoreszierende Antikörper und/oder mittels einer Desoxyribonukleinsäure-bindenden Markierung erfolgt. 8. The method according to claim 7, wherein the cells to be detected are marked by staining with carboxyfluorescein succinimidyl ester and/or with propidium iodide and/or by labeling of surface antigens, in particular by fluorescent antibodies and/or by means of a label that binds deoxyribonucleic acid.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, wobei in Schritt c) zumindest einer der nachfolgenden Parameter detektiert wird: Anzahl der zu detektierenden Zellen und/oder Durchmesser der zu detektierenden Zellen und/oder Zellkontur der zu detektierenden Zellen und/oder Durchtrittszeit der zu detektierenden Zellen durch das Rückhalteelement (2) und/oder Bestimmung der Deformation der zu detektierenden Zellen beim Durchtritt durch das Rückhalteelement (2) und/oder Homogenität des in die zu detektierenden Zellen eingelagerten oder gebundenen Mittels zur Markierung 9. The method according to any one of claims 6-8, wherein in step c) at least one of the following parameters is detected: number of cells to be detected and / or diameter of the cells to be detected and / or cell contour of the cells to be detected and / or transit time of the cells to be detected by the retaining element (2) and/or determination of the deformation of the cells to be detected when passing through the retaining element (2) and/or homogeneity of the labeling agent embedded or bound in the cells to be detected
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der zu detektierenden Zellen durch Aufnahme von Einzelbildern in definierten Zeitabständen erfolgt, insbesondere nach 0,1 - 60 Sekunden, bevorzugt nach 1 - 10 Sekunden. 10. The method as claimed in any of claims 6-9, characterized in that the cells to be detected are detected by recording individual images at defined time intervals, in particular after 0.1-60 seconds, preferably after 1-10 seconds.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-10, wobei die Zellsuspension eine, insbesondere vorbehandelte, Blutprobe ist. 11. The method according to any one of claims 6-10, wherein the cell suspension is a blood sample, in particular a pretreated blood sample.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-11, wobei die zu detektierenden Zellen zirkulierende Tumorzellen sind. 12. The method according to any one of claims 6-11, wherein the cells to be detected are circulating tumor cells.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-12, wobei eine Pumpe die Zellsuspension mit einer konstanten Flussrate oder mit einer variierenden Flussrate durch die Rückhaltevorrichtung (4) pumpt, und wobei die Flussrate insbesondere zwischen 0,01 pl/s und 100 pl/s, bevorzugt zwischen 0,2 pl/s und 5 pl/s liegt. 13. The method according to any one of claims 6-12, wherein a pump pumps the cell suspension at a constant flow rate or at a varying flow rate through the retention device (4), and wherein the flow rate is in particular between 0.01 pl/s and 100 pl/s , preferably between 0.2 pl/s and 5 pl/s.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-13, wobei die Zellsuspension dem Rückhalteelement (2) portionsweise als Aliquots zugeführt wird und die vom Rückhalteelement (2) rückgehaltenen Zellen nach jedem Aliquot oder nach einer vorbestimmten Anzahl an Aliquots, vom Rückhalteelement (2) entfernt werden. 14. The method according to any one of claims 6-13, wherein the cell suspension is fed to the retaining element (2) in portions as aliquots and the cells retained by the retaining element (2) are removed from the retaining element (2) after each aliquot or after a predetermined number of aliquots will.
15. Kartusche (10), insbesondere mikrofluidische Kartusche, umfassend eine Rückhaltevorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1-5. 15. cartridge (10), in particular microfluidic cartridge, comprising a retaining device (4) according to any one of claims 1-5.
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